Wolfgang Schröder - Photovoltaik & Batteriespeicher

Wie man an dem Atommodell erkennt, ergeben sich freie Stellen, die durch „springende“ Elektronen aufgefüllt werden können. Dies ist für die spätere Funktionsweise wichtig.

Das so hergestellte Silizium wird nun in der Regel über zwei unterschiedliche Verfahren zu Solarrohzellen verarbeitet. Dabei unterscheidet man im Ergebnis poly- beziehungsweise multikristallines und monokristallines Silizium. Der Unterschied dieser Siliziumformen liegt in der unterschiedlichen Herstellungsweise.

Polykristallines Silizium wird nach der Schmelze in quadratische Blöcke (Ingot) gegossen, worauf beim Auskühlen das Silizium auskristallisiert und eine Vielzahl von Kristallstrukturen bildet; hiervon leitet sich auch der Name ab: „poly“ = viel (also von der griechischen Vorsilbe übernommen). Die Kristalle unterscheiden sich in Form und Größe deutlich voneinander. Sie können nur wenige Millimeter, aber auch einige Zentimeter groß sein und sind sehr fest miteinander verbunden. Aus diesem geschmolzenen Block werden zuerst quadratische Zylinder und aus diesen wiederum hauchdünne Scheiben (Wafer) geschnitten, die zu Solarzellen weiterverarbeitet werden.

Die Dicke der entstehenden Scheiben lag in der Anfangszeit der Solarzellenherstellung bei etwa 0,4 Millimetern und wurde mit der Zeit stetig reduziert, um die Ausbeute, also die Anzahl der Wafer pro Kilogramm Silizium zu erhöhen. Seit einiger Zeit beträgt die typische Waferdicke etwa 0,18 Millimeter. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat eine Dicke von 0,05 bis 0,08 Millimeter. Eine weitere Erhöhung der Ausbeute ist durch eine Verringerung der Sägeverluste (Sägestaub) möglich. Neben der Steigerung des Zellwirkungsgrads trägt dies auch zu einem Rückgang des Siliziumbedarfs pro Watt Spitzenleistung und somit zu einer Kostenreduzierung bei.

Systemprozess für polykristalline Zellen

Obwohl eine Schmelze unter hohen Temperaturen nötig ist, um polykristallines Silizium herzustellen, wird weniger Energie benötigt als bei der Herstellung monokristallinen Siliziums. Dadurch sind die Fertigungsverfahren kostengünstiger und die entstehenden polykristallinen Solarzellen waren in der Praxis zumindest in der Vergangenheit weit verbreitet.

Bei monokristallinen Zellen ergibt sich optisch eine homogene Zellstruktur; das heißt die Zelle wurde aus einem Einkristall hergestellt. Dabei wird das Reinstsilizium erneut geschmolzen. Im Allgemeinen wird die Schmelze mit einem Impf- oder Keimkristall, der sich an einem drehbaren Stab befindet, in Berührung gebracht und langsam unter Drehung wieder von ihr weg-/hochgezogen (Czochralsky-Verfahren). Man kann sich das grob wie beim Kerzenziehen mit flüssigem Wachs vorstellen. Hierdurch entsteht ein säulenförmiger Einkristall (Ingot) mit einem Durchmesser von 200 bis 300 mm, einer Länge von rund zwei bis drei Metern und einem Gewicht von ca. 100 kg.

Aus diesem Einkristall werden dann ebenfalls hauchdünne Scheiben geschnitten. Im Gegensatz zu den quadratischen polykristallinen Zellen entstehen runde Scheiben. Früher wurden diese als Grundlage für den Modulbau verwendet. Um diese platzoptimiert in einem Modul unterzubringen und dessen Effizienz zu steigern, werden an vier Seiten der Scheiben die Kreissegmente abgeschnitten. Dadurch verbleiben meist nur noch kleine runde Ecken an den Wafern, wodurch sich im späteren Zellverbund der Module dort die typische Rautenstruktur an den Eckbereichen der aneinandergefügten Zellen zeigt. Der Schnittabfall wird wiederverwendet.

Neben dem Unterschied bei der Herstellung (poly-)multikristalliner und monokristalliner Zellen ergeben sich bei monokristallinen Zellen höhere Wirkungsgrade. Dies ist auch ein Grund, weshalb die monokristallinen Zellen aufgrund der sich entwickelnden höheren Zellwirkungsgrade die polykristallinen Zellen trotz der höheren Herstellungskosten vom Markt nahezu verdrängt haben.

Das Funktionsprinzip der Photovoltaik respektive der Solarzellen soll am Beispiel einer Silizium-Solarzelle beschrieben werden. Mit der zuvor beschriebenen Rohzelle allein (siehe Seite 15) lässt sich noch kein Strom produzieren. Sie dient aber als wichtiges Grundgerüst für die spätere Funktion als Stromerzeuger.

Silizium ist ein Halbleiter. Die Besonderheit von Halbleitern ist, dass durch zugeführte Energie (zum Beispiel in Form von Licht oder elektromagnetischer Strahlung) freie Ladungsträger (Elektronen) in ihnen erzeugt werden können. Hierzu muss die „Rohzelle“ zunächst weiter bearbeitet werden, damit sich später darin Elektronen bewegen und fließen können, die die Grundlage eines elektrischen Stromflusses bilden.

Systemdarstellung „Ziehen“ eines Kristallingots

Zuerst wird die Zelloberfläche in ihrer Struktur verändert, damit diese das Licht weniger reflektiert und somit mehr Licht in die Zelle eindringen kann. Man nennt diesen Vorgang „Texturierung“.

Bislang liegen im Silizium lediglich die sogenannten Elektronenlöcher vor, also Fehlstellen von Elektronen aufgrund der Vermischung des Siliziums mit Bor (siehe Seite 15). Dementsprechend lässt sich die Zelle als „positiv“ bezeichnen. Wie allgemein bekannt, muss es bei Stromfluss neben der „positiven“ Seite auch immer eine „negative“ geben – Strom fließt nur, wenn Elektronen fließen; wir benötigen neben der elektronenarmen Siliziumzelle also noch einen Elektronenspender. Hierzu wird die obere Siliziumschicht mit einem Material durchsetzt, das chemisch mehr reaktive Elektronen enthält als Silizium und somit als Elektronenspender dient, zum Beispiel Phosphor. Phosphor beherbergt in seiner äußersten Elektronenhülle fünf Elektronen. Damit wird die Siliziumscheibe auf einer Seite negativ dotiert (n-Schicht mit Elektronenüberschuss).

Wie man am Atommodell erkennt, ergeben sich nicht gebundene, „freie“ Elektronen, die sich ebenfalls frei im Raum bewegen können. Was es damit auf sich hat, sehen wir etwas später. Zunächst wird die Zelle in weiteren Schritten bearbeitet.

Damit die Lichteinwirkung sowie der Elektronenfluss besser funktionieren, wird die Zelle zum einen mit einer Antireflexschicht versehen (dies verleiht ihr meist ihr dunkles, blaues Aussehen). Danach erhält die Zelle eine Kontaktierung sowohl auf ihrer Rück- wie auch auf der Vorderseite, vorderseitig mittels feiner Leiter aus Silberpaste (Grid – aus dem Englischen für „Gitter“) und Stromleiterbändchen (Busbars).

Ungebundene, freie Elektronen des Phosphors

Fertige Solarzellen (Vorderseite)

Im Grenzbereich der beiden zuvor beschriebenen Schichten, in der sogenannten Raumladungszone zwischen oberer (negativer) und unterer (positiver) Schicht, binden sich die freien überschüssigen Elektronen der Elektronenspender (aus dem Phosphor) locker an die freien Fehlstellen aus der unteren Schicht. Man kann es vereinfacht auch als einen „schwebenden Zustand“ betrachten. Die Elektronen besetzen die Fehlstellen im sogenannten Valenzband und bilden elektrisch eine neutrale Zone, den „p-n-Übergang“.