Solarzellen sind ein fester Bestandteil der erneuerbaren Energien und der nachhaltigen Stromerzeugung. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die Herstellung verschiedener Arten von Solarzellen. Wir gehen auf die Produktionsverfahren von polykristallinen und monokristallinen Solarzellen sowie Dünnschichtzellen ein. Außerdem befassen wir uns mit der Umweltverträglichkeit der Herstellungsprozesse.
Und das ist der Inhalt des Artikels:
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Wie werden Solarzellen hergestellt?
Die Herstellung von Solarzellen erfolgt in mehreren Schritten. Zuerst wird das gewonnene Silizium geschmolzen und chemisch gereinigt. Anschließend wird daraus ein Stab gezogen oder es wird in einen Block gegossen. Von diesem werden dünne Scheiben (Wafer) abgeschnitten. Die Wafer werden chemisch behandelt und dotiert, um eine Solarzelle zu bilden.
Im letzten Schritt werden die Solarzellen zu einem Solarmodul zusammengeschaltet, indem sie zwischen schützenden Schichten aus Kunststoff und Glas in einem Rahmen montiert werden. Diese Art des Herstellungsverfahrens gilt besonders für kristalline Solarzellen.
Was ist Silizium und wie wird es gewonnen?
Silizium ist ein Halbmetall und stellt mit einem Anteil von 15% an der Gesamtmasse der Erde ein sehr häufig vorkommendes chemisches Element dar. Gewonnen wird dieses rohe Silizium durch das Siemens-Verfahren. Dafür wird Quarzsand auf Temperaturen von etwa 1.650 °C geschmolzen. Nach dem Schmelzen wird das rohe Silizium gemahlen, mit Chlorwasserstoff zugesetzt und auf 300 bis 350 °C erhitzt. Durch eine anschließende Destillation reagiert das Rohsilizium mit dem Wasserstoff und es entstehen reines Silizium und Wasserstoff.
Der entstandene Wasserstoff kann anschließend wiederverwendet werden, bei der weiteren Herstellung von Silizium.
Das Silizium ist nun rein genug, um daraus Dickschichtzellen herzustellen. Für die Verwendung in der Chip-Industrie müsste es noch weiter chemisch gereinigt werden.
Wie werden kristalline Solarzellen hergestellt?
Kristalline Solarzellen sind die häufigsten Solarzellen auf dem Markt. Es gibt sie in zwei Variationen: polykristallin und monokristallin. Die Unterschiede in der Herstellung liegen in der Art, wie das Silizium geschmolzen und anschließend in Form gebracht wird, von der die Wafer abgeschnitten werden.
Wie werden polykristalline Solarzellen hergestellt?
Bei der Herstellung von polykristallinen Solarzellen wird das Silizium mittels einer Induktionsheizung in einem quadratischen Tiegel erhitzt. Sobald es abkühlt, bildet sich ein Ingot mit unterschiedlich großen Kristallzonen. Mit einer Drahtsäge werden sehr dünne Scheiben, die Wafer, abgeschnitten. Die Oberfläche der Wafer wird angeraut, chemisch gereinigt und dotiert.
Ein Wafer ist im Schnitt zwischen 0,15 und 0,25 mm dick. Auf diesem sind die unterschiedlichen Kristallzonen gut erkennbar, da es sich um Bereiche mit ähnlicher Farbe handelt. So erhalten polykristalline Solarmodule auch ihr charakteristisches blaues Muster.
Dotierung bedeutet, dass Fremdatome dem Siliziumgitter hinzugefügt werden, nämlich Bor und Phosphor. Diese bewirken einen Ladungsunterschied innerhalb der Solarzelle.
Nach der Dotierung erhält der Siliziumwafer noch eine Antireflexionsschicht aus Siliziumnitrid oder Titanoxid. Die Schicht sorgt dafür, dass das Sonnenlicht nicht direkt reflektiert wird, sondern gut in die Solarzelle eindringt. Im nächsten Schritt werden die Leitungsbahnen für den Stromfluss mit einer Silberpaste auf den Wafer gedruckt und durch Einbrennen festgesetzt.
Polykristalline Solarzellen werden aus Silizium hergestellt
Anschließend müssen nur noch die Kontakte aufgebracht werden. Dies geschieht auf der Vorderseite ebenfalls mit der Silberpaste. Die Rückseite erhält meist eine vollflächige Schicht aus Aluminium mit Silberkontaktstellen. Wichtig bei allen Leitungsbahnen und Kontakten ist, dass sie so dünn wie möglich sind, um Verschattungen der Solarzelle durch die Kontakte selbst zu vermeiden.
Wie werden monokristallinen Solarzellen hergestellt?
Bei der Herstellung von monokristallinen Solarzellen wird das Silizium knapp über dem Schmelzpunkt in einem Tiegel erwärmt. Es wird ein Stab hinzugefügt, an dem sich das geschmolzene Silizium anlagert, während der Tiegel gedreht wird. Beim Erstarren des Siliziums entsteht auf diese Weise ein einzelner Kristall (Monokristall) in Zylinderform, von dem die Wafer abgeschnitten werden.
Durch das Abschneiden der Wafer vom runden Kristall entstehen die typisch monokristallinen Solarzellen, denen die Ecken fehlen.
Nachdem der dünne Wafer vorliegt, werden auch die monokristallinen Solarzellen gereinigt, dotiert und mit Leitungsbahnen und Kontakten versehen.
Herstellung von Dünnschichtzellen
Die Herstellung von Dünnschichtzellen ist simpel. Zunächst wird Wasserstoff mit Silizium oder einem anderem Halbleitermaterial wie Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) zu einer gasförmigen Verbindung namens Monosilan (SiH₄) umgewandelt. Diese Verbindung wird dann auf einer Trägerschicht aus Glas oder Folie aufgedampft oder aufgesprüht. Bei niedrigen Temperaturen zersetzt sich das Monosilan wieder und es bildet sich eine amorphe, nicht kristalline Siliziumschicht. Dünnschichtzellen werden deshalb auch amorphe Solarzellen genannt.
Zusätzlich zu der amorphen Schicht werden weitere Schichten, wie leitfähige Oxide, aufgebracht, die als Kontakte dienen. Durch eine mechanische oder eine Laserstrukturierung, auch Patterning oder Scribing genannt, entstehen ferner einzelne Zellen, die so zu einem Modul werden.
Die Herstellung von Dünnschichtzellen ist weniger aufwändig als bei kristallinen Solarzellen, weshalb sie günstiger sind. Leider haben amorphe Solarzellen aber auch wesentlich niedrigere Wirkungsgrade. Um dieselbe Leistung wie kristalline PV-Module zu erreichen, benötigen Dünnschichtmodule daher mehr Platz. Aus diesem Grund werden sie hauptsächlich in Bereichen eingesetzt, wo ausreichend Fläche vorhanden ist, wie in Solarparks.
Ist die Herstellung von Solarzellen umweltschädlich?
Bei der Herstellung der Solarzellen entstehen CO₂-Emissionen (Treibhausgase), die umweltschädlich sind. Energetisch amortisiert sich die Herstellung der Solarzellen aber bereits nach ein bis drei Jahren. Dann haben die Solarzellen mehr Emissionen eingespart, als Herstellung und Transport erzeugt haben.
90% der gesamten Treibhausgase entstehen bei der Gewinnung des Siliziums. Werden die Solarmodule aus Asien transportiert, macht das 3% der gesamten Emissionen aus. Zudem besteht der Netzstrom in China zu einem größeren Anteil aus Kohlestrom als in Europa, weshalb man mit in Europa produzierten Solarzellen rund 40% der Emissionen sparen kann.
Zum Vergleich: Eine Kilowattstunde Solarstrom verursacht laut aktuellen Ergebnissen einer Studie des Fraunhofer ISE einen Treibhauseffekt, der rund 20 Gramm Kohlendioxid entspricht. Eine Kilowattstunde Braunkohlestrom verursacht dagegen 1.000 Gramm CO₂ allein durch den Brennstoff. Besonders umweltbewusst sind rahmenlose Glas-Glas-Module, da sie keinen Aluminiumrahmen benötigen und so 22 - 27% an CO₂-Emissionen einsparen.
Wichtig ist zudem, dass Solarzellen am Ende ihrer Lebenszeit ordnungsgemäß entsorgt werden. Bei einer sachgemäßen Entsorgung entstehen keinerlei Risiken und es können 90% der Materialien recycelt werden. In Deutschland können Solarmodule kostenlos am örtlichen Wertstoffhof abgegeben werden.
Fazit
Die Herstellung von Solarzellen ist ein mehrstufiger Prozess. Bei polykristallinen und monokristallinen Solarzellen wird das Silizium geschmolzen. Anschließend werden davon Wafer abgeschnitten, chemisch behandelt und dotiert. Bei Dünnschichtzellen wird eine gasförmige Verbindung aus Silizium und Wasserstoff auf ein Trägermaterial aufgedampft oder aufgesprüht. Zusätzliche Schichten werden hinzugefügt und die Zellen werden zu einem Modulen verbunden.
Die Herstellung von Solarzellen ist mit CO₂-Emissionen verbunden, aber im Vergleich zu konventionellen Energietechnologien ist sie deutlich umweltfreundlicher. Eine sachgemäße Entsorgung der Solarzellen ist dennoch wichtig, um Umweltrisiken zu vermeiden.
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