Photovoltaik: Solarzellen, Aufbau, Typen und Verluste

Umsetzung einer Solarzelle

Umsetzung einer Solarzelle: Eine Solarzelle wird durch Dotierung (gezielte Verunreinigung) eines Wafers aus Halbleitermaterial wie Silizium hergestellt. Auf die P-Region wird Bor (dreiwertiges Dotiermittel) aufgebracht und auf die N-Region eine dünne Schicht Phosphor (fünfwertiges Dotiermittel), um einen PN-Übergang zu erzeugen. Zur Verbesserung der Leistung wird die sonnenzugewandte Seite mit einer Oberfläche versehen, die die Reflexion an der Zelloberfläche reduziert. Die Oberfläche trägt außerdem ein Metallgitter, das eine gute elektrische Verbindung herstellt und möglichst viel der sonnenexponierten Fläche elektrisch erschließt. Dies wird durch sehr feine Metallstrukturen mit Kamm-Breiten von ca. 20–150 µm erreicht. Das beschriebene Gitter fungiert als Minuspol (Vorderseitenkontakt), die Pluspol-Metallisierung befindet sich auf der Rückseite. Abschließend wird die Zelle durch Abscheidung einer Antireflexionsschicht auf der Vorderseite vervollständigt, die die Absorption von Photonen erleichtert.

Typen und kurze Geschichte der Solarzellen

Eine kurze Geschichte der Solarzelle: Die erste erkennbare Form einer Solarzelle wurde 1883 von Charles Fritts hergestellt; er beschichtete Halbleitermaterial (Selen) mit Gold. In den 1940er und frühen 1950er Jahren wurden die Grundlagen der photovoltaischen Wirkung weiterentwickelt; 1954 gelang bei den Bell Labs die Herstellung der ersten praktisch nutzbaren Silizium-Photovoltaikzelle. Seit den späten 1950er-Jahren beschleunigte der Wettrüsten im All (Space Race) die Entwicklung von Solarzellen zur Stromversorgung von Satelliten. In den 1970er-Jahren wurde die erste Galliumarsenid-(GaAs)-Zelle entwickelt. Ab den 1980er-Jahren diversifizierte sich die Fertigung und es entstanden verschiedene Zelltypen für unterschiedliche Anwendungen.

Gängige Zelltypen:

• Monokristallines Silizium (mono-Si): Typische Wirkungsgrade etwa 15–18 %.
• Polykristallines Silizium (multi-Si): Wirkungsgrade typischerweise 13–16 %.
• Amorphes Silizium (a-Si): Dünnschichtzellen mit Wirkungsgraden im Bereich von ca. 6–9 %.
• Galliumarsenid (GaAs): Hochleistungszellen mit Ausbeuten bis zu etwa 25 % (je nach Ausführung).
• Weitere Typen: B-Typ-Zellen und diverse Forschungszellen und -module für spezielle Anwendungen.

Verluste und Leistung einer Photovoltaikzelle

Verluste in einer Solarzelle: Es gibt verschiedene Verlustmechanismen, die die Gesamtleistung reduzieren. Typische Verlustarten sind:

• Photonen mit zu geringer Energie, um die Bindung im Halbleiter zu brechen (ungefähre Größenordnung in manchen Modellen ~22 %).
• Photonen mit zu hoher Energie: Überschüssige Energie geht als Wärme (Thermalisierung) verloren (typischerweise ~30 %).
• Rekombination von Elektronen und Löchern führt zu Leistungsverlusten (zum Teil ~30 % je nach Zelltyp).
• Reflexion der Sonnenstrahlung und Abschattung durch elektrische Kontakte oder Verschmutzung (z. B. ~8,5 %).
• Verluste durch elektrischen Widerstand (Leitungs- und Kontaktwiderstände). Diese können je nach System klein (z. B. ~3 %) bis deutlich höher (bis zu ~20 % in ungünstigen Fällen) ausfallen.

Parameter einer photovoltaischen Zelle

Die Strom-Spannungs-Kurve (IV-Kennlinie) definiert das elektrische Verhalten einer Photovoltaikzelle. Wichtige Kenngrößen sind:

• Isc (Kurzschlussstrom): Strom bei Kurzschluss.
• Voc (Leerlaufspannung): Spannung bei offenem Stromkreis (typischer Wert liegt ungefähr um 0,5 V pro Siliziumzelle).
• Wp (Nenn-Peak-Leistung): Maximale elektrische Leistung, die eine Zelle liefern kann; definiert durch den MPP (Maximum Power Point) auf der IV-Kennlinie.

Die Spannung über einem PN-Übergang (bzw. einer Zelle) hängt von der Temperatur ab. Der durch eine Solarzelle fliessende Strom bei Anschluss an eine externe Last ist proportional zur Einstrahlungsintensität und zur Zellfläche.

Photovoltaikmodule

Photovoltaik-Zellen werden in Modulstrukturen zusammengefasst. Typische Module enthalten zwischen 36 und 96 Zellen; in manchen Fällen werden Gruppen von Zellen parallel geschaltet oder in Reihen verbunden. Die Zellen und das Modul müssen außerdem gegen Witterungseinflüsse geschützt werden. Die zusammengestellten und verbundenen Solarzellen mit den beschriebenen Eigenschaften werden als Photovoltaik-Module bezeichnet.

Struktur eines Photovoltaik-Moduls

Ein Photovoltaik-Modul besteht typischerweise aus:

• Front-Abdeckung: Gehärtetes Glas, üblicherweise etwa 4 mm dick.
• Verkapselung: Meistens Ethylen-Vinylacetat (EVA) als Schicht zur Einbettung der Zellen.
• Rückseitenfolie: Häufig Polyvinylfluorid (PVF) oder vergleichbare Materialien.
• Rahmen: Meist eloxiertes Aluminium, das Steifigkeit und mechanische Festigkeit bietet.
• Anschlussdose (Junction Box): Auf der Rückseite befindet sich eine Box aus widerstandsfähigem Kunststoff, die Schutz gegen Staub und Wasser bietet und die elektrischen Anschlüsse aufnimmt.
• Zellen und Verbinder: Die Verbindung der Zellen erfolgt über Leiterbahnen und Lötleisten (Busbars) bzw. eingelötete oder aufgelegte Kontakte für den elektrischen Anschluss jeder Zelle.

Parameter und Eigenschaften des Photovoltaikmoduls

Ein PV-Modul besteht aus mehreren elektrisch miteinander verbundenen Solarzellen. Die IV-Charakteristik des Moduls hängt von der angeschlossenen Last und von der Sonneneinstrahlung ab.

Wesentliche Effekte und Kenngrößen:

• Strom: Der von einem Modul gelieferte Strom ist proportional zur Einstrahlungsintensität und kann im Idealfall nicht den Kurzschlussstrom (Isc) des Moduls überschreiten.
• Einfluss der Temperatur:
  • Leerlaufspannung (Voc): nimmt mit steigender Temperatur ab.
  • Kurzschlussstrom (Isc): steigt leicht mit zunehmender Temperatur.
  • Maximale Leistung (Pmax): nimmt mit steigender Temperatur in der Regel ab.

Leistung und Produktions-Toleranz

Hersteller klassifizieren und kennzeichnen Photovoltaik-Module nach ihrer maximalen (Peak-)Leistung, also der Leistung am Punkt maximaler Leistung der IV-Kennlinie.

Es existieren Toleranzen bei den charakteristischen Parametern der einzelnen Module; diese werden in den Datenblättern angegeben. Die Lebensdauer eines Photovoltaik-Moduls wird meist auf rund 25 Jahre geschätzt. Aufgrund von Alterungsprozessen nimmt die erzeugte Leistung ab. Viele Hersteller geben Garantien, die typischerweise mindestens 90 % Leistung in den ersten 10 Jahren und etwa 80 % Leistung nach 25 Jahren zusichern.

Hot-Spot (Überhitzung)

Hot-Spot: Wenn ein PV-Modul aus mehreren in Serie geschalteten Zellen besteht, kann die Abschattung einer einzelnen Zelle dazu führen, dass diese Zelle als Bypass wirkt und lokal starke Erwärmung erzeugt. Dieser Effekt wird als Hot-Spot bezeichnet. Zur Vermeidung von Schäden durch lokale Überhitzung werden Bypass-Dioden parallel zu Gruppen von Zellen eingesetzt.

Anschluss von Photovoltaikmodulen

Der Strom und die Spannung eines einzelnen Photovoltaik-Moduls decken nicht immer die Anforderungen einer Anlage. Daher ist es notwendig, mehrere Module so zu verbinden, dass die gewünschten Werte erreicht werden. Durch Reihenschaltung erhöht sich die Spannung, durch Parallelschaltung die Stromstärke.

Es gibt grundsätzliche Anschlusstypen:

1. Module in Reihe schalten: Der Minuspol eines Moduls wird mit dem Pluspol des folgenden Moduls verbunden. Die Stromstärke des Generators entspricht der Stromstärke eines Moduls (IG = IM), die Generatorspannung ist die Summe der Spannungen der in Serie geschalteten Module (VG = Ns × VM).
2. Module parallel schalten: Alle Pluspole werden zusammengenommen an den Plus-Terminal angeschlossen, alle Minuspole an den Minus-Terminal. Die Generatorstromstärke ist die Summe der Ströme der parallel geschalteten Module (IG = Np × IM), die Spannung bleibt in etwa der Modulspannung (VG ≈ VM).