Solarstrom - keine Solarwärme!

Wer heutzutage zum eigenen Stromproduzenten werden möchte und von den Vorteilen der staatlichen Förderung profitieren will, kann zwischen einer relativ großen Vielfalt an Formen, Farben und Wirkungsgraden von Solarzellen auswählen. Je nachdem, was man investieren möchte und welche Flächen man zur Verfügung hat, bieten sich unterschiedliche Möglichkeiten an. Zunächst sollte man dabei aber klar zwischen der Stromgewinnung durch Photovoltaikanlagen und der Warmwassergewinnung mit Hilfe solarthermaler Anlagen unterscheiden. Denn viele sehen noch nicht den Unterschied zwischen den beiden verschiedenen Formen der Energiegewinnung, wenn sie dunkle Flächen auf den Dächern von Häusern sehen.

Während für die Solarthermie lediglich schwarze Flächen nötig sind, die sich aufheizen und die Wärme an Wasserleitungen abgeben, werden für die Herstellung von Photovoltaikanlegen Halbleitermaterialien benötigt, die bei entsprechender Temperatur elektrisch leitfähig sind und durch die Zufuhr von Licht Strom produzieren. Sie lassen sich in der Regel daran erkennen, dass sie aus vielen einzelnen Zellen bestehen und in unterschiedlichen Farben wie blau oder violett auftreten können. Solarthermale Anlagen weisen dagegen stets eine gleichmäßig schwarze Fläche auf, um sich möglichst gut aufheizen zu können. Sie haben nichts mit der Stromgewinnung zu tun.

 

Solarstrom=Photovoltaik

Das Wort Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Wort für Licht (photo) und der allgemeinen Bezeichnung für Spannung (volt; verdankt seinen Namen dem Physiker Alessandro Volta) zusammen. Es bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie, dessen Vorgang auf dem bereits 1839 von Alexander Bequerel entdeckten Photoeffekt beruht. Hierbei werden durch Lichteinstrahlung positive und negative Ladungsträger in einem Festkörper freigesetzt und erzeugen eine elektrische Spannung, die an der Oberfläche abgegriffen werden kann.

Alle Solarzellen setzen sich aus Halbleitermaterialien zusammen, die entsprechend elektrisch leitfähig werden, wenn Licht oder Wärme zugeführt wird. Von den Bedingungen her ist Silizium das bisher günstigste Halbleitermaterial für Solarzellen, da es das zweithäufigste Element in der Erdkruste ist und demnach in ausreichenden Mengen vorhanden ist. Jedes Sandkorn auf der Erde besteht zu einem Großteil aus Siliziumoxid, das den meisten unter dem Namen „Quarz“ bzw. „Quarzsand“ geläufig sein sollte. Siliziumoxid, wie auch das aus diesem gewonnene Silizium, sind für die Umwelt komplett unschädlich.

Grundsätzlich gibt es drei verschieden Arten von photovoltaischen Zellen.

  1. monokristalline Zellen
  2. polykristalline Zellen
  3. amorphe Zellen bzw. DŁnnschichtzellen

Sie unterscheiden sich in ihrer Herstellungsweise und –kosten sowie ihrem Wirkungsgrad.

 

Kristalline Solarzellen

Kristalline Solarzellen dominieren das Marktgeschehen mit einem Anteil von über 90 Prozent und kommen hauptsächlich in zwei verschiedenen Formen zur Anwendung. Als monokristalline und die polykristalline Zellen. Diese beiden Varianten unterscheiden sich etwas im Aussehen, vor allem aber in der Herstellungsweise und dem Wirkungsgrad. Dabei lassen sie sich in recht unterschiedlichen Formen, Farben und Strukturen herstellen, wodurch sie auf allen möglichen Flächen Verwendung finden und sich den entsprechenden Gebäuden ästhetisch anpassen lassen. Durch die Verwendung von „Glas- in Glasmodulen“ (Wie in einem Sandwich wird die Zelle auf beiden Seiten von Glas eingeschlossen) und entsprechend größeren Abständen zwischen den einzelnen Zellen, können sogar Fensterfronten zu Solaranlagen werden. Mit dem positiven Nebeneffekt, dass durch die Zellen eine teilweise Verschattung erfolgt, die zusätzliche Maßnahmen wie Jalousien etc. unnötig macht.

 

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Photovoltaikzellenzellen sind der „Klassiker“ unter den Solarzellen und fanden schon bei den ersten Solarmodulen in der Raumfahrt Verwendung. Sie weisen einen produktabhängigen Wirkungsgrad von 14% bis 17% im terrestrischen Bereich auf und setzen damit von den derzeitigen Photovoltaikzelltypen die Sonneneinstrahlung am effektivsten um. Im Labor und in der Weltraumtechnik bei entsprechend teureren Zelltypen liegt der Wirkungsgrad in der Regel sogar noch deutlich höher.

Die Herstellungstechnik monokristalliner Zellen ist jedoch auch die energieaufwändigste, was sie zum teuersten Typ unter den Solarzellen macht. Bei dem Verfahren muss das Silizium zunächst eingeschmolzen werden, um einen säulenförmigen Monokristall herstellen zu können. Dies geschieht, indem aus der Siliziumschmelze Einkristallstäbe gezogen werden. Ein erhitzter Siliziumstab dient dabei als Keim, auf den der Kristall „aufwächst“. Die resultierenden Kristallstäbe werden daraufhin in einzelne Scheiben geschnitten, die man Wafer nennt. Sie sind in der Regel wenige 100 µm dick, sehr zerbrechlich und stellen die Ausgangsbasis der Solarzellen dar. Meistens werden sie noch quadratisch zugeschnitten, da sie sich so besser in die rechteckigen Solarmodule integrieren lassen. Wafer können aber auch in der runden Form verwendet werden.

Alles in Allem ist dies jedoch ein relativ energieaufwendiges Herstellungsverfahren.

 

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Photovoltaikanlagen weisen ein sehr charakteristisches, glitzerndes Aussehen auf, da die Kristalle in der Zelle verschieden ausgerichtet sind und dadurch helle und dunkle Strukturen zu erkennen sind. Mal trifft das Licht auf die stumpf zugeschnittenen Kristalle, mal quer auf die Kristallstruktur der Zellen. Es entsteht ein funkelnder Effekt, wenn man sich beim Betrachten der Zellen bewegt.

Multikristalline Zellen kann man in sehr unterschiedlichen Farbgebungen erhalten. So zum Beispiel in grau, grün oder gold, die jedoch nicht so häufig genommen werden, da sie aufgrund ihrer helleren Oberflächen eine geringere Energieausbeute haben. Die am weitesten verbreitete Farbe ist daher königsblau, die allerdings auch erst durch eine Beschichtung entsteht, ohne diese wären die Zellen silbergrau.

Der Wirkungsgrad liegt in der Regel zwischen 11% und 14%, wobei inzwischen schon polykristalline Zellen mit einem Wirkungsgrad von knapp über 15% angeboten werden.

Insgesamt ist die multikristalline Herstellungstechnik energiesparender als die monokristalline, wodurch die investierte Energie „schon“ nach drei Jahren amortisiert, also wieder eingeholt ist. In der Folge sind sie günstiger als diese und sind der bisher am weitesten verbreitete Zelltyp.

Bei ihrer Herstellung wird die Siliziumschmelze einfach in Blöcke gegossen, die nach dem Aushärten zu Scheiben bzw. Wafern zersägt werden können. Insgesamt ein einfacheres und schneller zu bewerkstelligendes Verfahren, welches die Produktion billiger macht. Jedoch geht hierdurch die Einheitlichkeit der Kristallstruktur verloren, was der Grund für den geringeren Wirkungsgrad und den funkelnden Effekt ist.

 

Dünnschicht-Solarzellen

Dünnschichtsolarzellen wurden später als die kristallinen Solarzellen aus Silizium entwickelt und werden auf eine andere Art und Weise hergestellt, was einerseits zu geringeren Herstellungskosten und andererseits zu geringeren Wirkungsgraden führt. Man unterscheidet jedoch noch zwischen amorphen Zellen mit Silizium als Halbleitermaterial (kurz aSi) und CIS- Dünnschicht-Zellen, bei denen Kupfer-Indium-Sulfit statt des Siliziums zur Anwendung kommt und die sich kurz vor der Serienfertigung befinden. Der Wirkungsgrad der CIS-Zellen wird sogar etwas höher eingeschätzt, weshalb man dieser Technik ein großes Potential für die Zukunft zurechnet. Ähnliches gilt für Cadmiumtellurid-Dünnschichtzellen (kurz CdTe), die jedoch wegen des Schwermetalls Cadmium in der Kritik stehen und mit stärkeren Umweltauflagen versehen sind. Es gibt also durchaus Alternativen zum bisher dominierenden kristallinen Silizium in der Solarenergiegewinnung.

Der Grund für den geringeren Energieaufwand bei der Herstellung von Dünnschichtzellen liegt darin, dass keine Siliziumblöcke hergestellt und dann aufwendig zersägt werden müssen, wie es bei den kristallinen Formen der Fall ist. Das Halbleitermaterial wird stattdessen in sehr dünnen Schichten (circa 1/100 der Dicke einer Postkarte) direkt auf ein entsprechendes Substrat, wie Glas, Metall oder Kunststoff über eine Gasphase aufgedampft und weist teilweise weniger als ein Hundertstel der Dicke einer kristallinen Zelle auf. Das spart Materialkosten und erfordert weniger Energie. Amorphes Silizium benötigt weiterhin nur eine Verarbeitungstemperatur von etwa 300 °C; im Gegensatz zu kristallinen Zellen, bei deren Herstellung an die 1500 °C nötig sind. Außerdem kann der Herstellungsprozess besser automatisiert und dadurch erheblich beschleunigt werden.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, das Material auf flexiblen Kunststoff als Substrat aufzutragen und dadurch neue Anwendungsgebiete zu erschließen. So z.B. Rucksäcke, Zelte oder Kleider, in deren Fasern amorphe Siliziumzellen eingearbeitet sind und einfach aufgerollt werden können.

Neben diesen Vorteilen haben Dünnschichtzellen aber auch den Nachteil eines geringeren Wirkungsgrades. Dieser liegt aktuell unter terrestrischen Bedingungen bei etwa 5% bis 8% und damit deutlich unter dem von kristallinen Zellen. Flexible Solarzellen haben in der Regel sogar einen noch geringeren Wirkungsgrad, da hierbei die Gewichtsreduktion wichtiger als die optimale Lichtumwandlung ist.

Weiterhin sind die Gestaltungsfreiheiten stark eingeschränkt, weil bisher lediglich einheitlich schwarze Fassaden-Flächen möglich. In der Forschung liegt der Fokus logischerweise derzeit auf der Erhöhung des Wirkungsgrades und nicht auf der Frage der Farbgebung.

Bisher haben Dünnschichtzellen einen Marktanteil von knapp 10% am Solarstrommarkt, mit steigender Tendenz.

Auf dem Dach unserer Uni befinden sich übrigens neben den kristallinen Solarzellen in der Mitte der Anlage auch amorphe Solarzellen auf Metallsubstrat an den beiden Seiten. Sie wurden zum Zweck der Forschung installiert, um Vergleichswerte der verschiedenen Zelltypen ermitteln zu können.