Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Abbildung 3: Monokristalline (links) und polykristalline (rechts) Solarzelle (Quelle: Fa. Ertex Solar)

Die Nutzung der Photovoltaik wurde technologisch erst dann richtig interessant, als in der Mitte des 20. Jahrhunderts Silizium als Material für die Solarzellen entdeckt wurde. Silizium ist ein natürlicher Rohstoff, der z. B. in Form von Quarzsand vorkommt.

Für die meisten Solarzellen wird Silizium verwendet, und zwar hochreines Silizium, das in der Natur so gar nicht vorkommt. Es muss also von anderen Elementen gereinigt werden, was den teuersten Bestandteil der Herstellung ausmacht. Danach werden die Siliziumkristalle „dotiert“, was bedeutet, dass Fremdatome eingebracht werden, um dem Silizium die Halbleitereigenschaften zu geben, die für den Photovoltaischen Effekt notwendig sind.

Derzeit können folgende Arten von Solarzellen unterschieden werden:

1. Kristalline Siliziumzellen: Das sind sozusagen die „Klassiker“ unter den Solarzellen, die auch am meisten verwendet werden. Sie werden erzeugt, indem Siliziumkristall-Blöcke in sehr dünne Scheiben (die „Wafer“ 0,18 bis 0,25 Millimeter dick) gesägt werden.

Dabei entsteht relativ viel Verschnitt. Alternative Herstellungsweisen für kristalline Solarzellen sind das sogenannte EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth) oder das String-Ribbon-Verfahren, bei denen durch eine Siliziumschmelze Fäden (Strings) bzw. Formteile gezogen werden, zwischen denen dann das Silizium in der gewünschten Form erstarrt.

Es gibt monokristalline und multi-/polykristalline Siliziumzellen. Die monokristallinen sind in der Herstellung teurer, erzielen aber auch höhere Wirkungsgrade (bis zu 20 %, im Vergleich zu polykristallinen, die etwa 16 % Wirkungsgrad aufweisen).

Am häufigsten installiert werden nach wie vor mono- und polykristalline Silizium-Solarzelltypen installiert; letztere haben einen Anteil von 73,91 % an der gesamten in Österreich im Jahr 2019 neu installierten Leistung. (Leonhartsberger, K.; Wittmann, M.; 2020)

2. Dünnschichtzellen: Der Unterschied zu den kristallinen Solarzellen ist, dass hier das Halbleitermaterial in einer oder mehreren sehr dünnen Schichten direkt auf ein sogenanntes „Substrat“ (z. B. Glas, Kunststoff oder Metall) aufgebracht wird. Dadurch entstehen viele neue Anwendungsmöglichkeiten für Photovoltaik (z. B. Dachelemente aus Metall, Fassadenelemente aus Glas).

Auch flexible Solarzellen können erzeugt werden, indem ein biegsames Substrat verwendet wird (z. B. Kunststoff oder auch Textilien für Kleidung oder Ähnliches). Als Halbleitermaterial wird sogenanntes amorphes Silizium (aSi) verwendet oder Cadmiumtellurid (CdTe) sowie Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS). Silizium ist aber im Gegensatz zu den anderen ein Rohstoff, der nahezu unbegrenzt verfügbar ist.

Eine Möglichkeit ist auch die Kombination verschiedener Halbleiter in sogenannten Mehrschichtzellen, um mehrere unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts gleichzeitig nutzen zu können.

CIGS-PV-Module können nach einer innovativen Herstellungsmethode kostengünstig im Rolle-zu-Rolle-Verfahren produziert werden und zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht und ihre Biegsamkeit aus. Die Technologie eröffnet zahlreiche neue Anwendungsgebiete für Photovoltaik, z. B. in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt oder in der Gebäudeintegration. Durch das innovative Produktionsverfahren wird Energie und Material eingespart (Dünnschichtzellen benötigen nur etwa ein Hundertstel des Materials von kristallinen Solarzellen). Dünnschichtzellen können auch diffuse Strahlung effizienter nutzen. Allerdings sind die Wirkungsgrade noch begrenzt. Aktuell liegt der Spitzenwirkungsgrad bei 14 % auf Zellebene bzw. 8 % auf Modulebene. Daher sind größere Flächen für dieselbe Leistung notwendig. (siehe auch Weinberger, N., 2021)

Zurzeit spielen Dünnschichtzellen noch eine Nebenrolle, deren Anteil liegt in Österreich bei 0,14 % (Zahlen 2017). Sobald höhere Wirkungsgrade und niedrigere Produktionskosten erzielt werden, könnte sich die Dünnschichttechnik gegenüber den kristallinen Solarzellen verstärkt durchsetzen (siehe Weinberger, N., 2021)

3. Farbstoffzellen: Eine weitere technologische Möglichkeit zeigt sich mit der Entwicklung von Farbstoffzellen oder von organischen Halbleitern, die aus Kunststoffen auf Kohlenwasserstoff-Basis hergestellt werden. Organische Halbleiter lassen sich mit einfachen kontinuierlichen Verfahren zu großen, dünnen, semitransparenten und flexiblen Schichten verarbeiten.

Die Produktion wird im Vergleich zu Siliziumzellen kostengünstiger, da nicht mehr aufwendig gereinigte Siliziumkristalle hergestellt werden müssen. Bei Solarzellen aus organischen Halbleitern sind Wirkungsgrade von 5-10 % realistisch. Auch mit Farbstoffzellen können Wirkungsgrade von 2-3% erreicht werden.

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