Materialien für Solarzellen

Eine Solarzelle ist ein elektrisches Bauelement, das Strahlungsenergie, in der Regel Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie umwandelt. Die Hauptanwendung finden Solarzellen in Photovoltaik-Anlagen, wo sie als Stromquelle dienen. Und so spielen die Solarzellen heute als erneuerbare Quellen eine besonders wichtige Rolle.

Silizium für Solarzellen

Hätte man Sie nach einem typischen Material für Solarzellen gefragt, würden Sie wahrscheinlich Silizium nennen. Und diese Antwort wäre auch richtig. Silizium ist und bleibt das wichtigste Material. Es ist Massen verfügbar, da es aus Sandquarz gewonnen wird. Für Solarzellen werden drei Sorten von Silizium genutzt.      

                            Abb. 1 Solarzellen aus Silizium a) Feste Solaranlage, b) Mobile Solaranlage

Monokristallines Silizium wird vor allem für die verbreiteten und gut bekannten Dickschichtsolarzellen (Abb. 1) verwendet. Diese Solarzellen bestehen aus Scheiben, den berühmten Wafern, die aus hochreinen Silizium-Einkristallen angefertigt sind.

Die Herstellung eines Einkristalls kann mit dem Czochralski-Tiegelziehverfahren oder dem Zonenschmelzverfahren erfolgen und ist ziemlich aufwendig. Ein wichtiger Nachteil des monokristallinen Siliziums ist seine geringe Absorptionsrate. Deshalb, um dennoch einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, sind große Schichtdicken notwendig, was wiederrum einen hohen Bedarf an Ausgangsmaterial bedingt. Aufgrund der Schichtdicken müssen die Ladungsträger lange Wege ohne eine Rekombination zurücklegen, wofür ein sehr hoher Reinheitsgrad des Siliziums erforderlich ist.

Die hohen Reinheitsanforderungen an den Werkstoff bedingen zusätzlich Kosten. Strukturierte, beispielsweise pyramidenförmige Oberflächen, verbessern die Absorptionseigenschaften dicker Solarzellen, da die reflektierten Photonen so abgelenkt werden, dass sie den Körper mehrmalig durchlaufen müssen. Die maximalen Wirkungsgrade einer idealen kristallinen Siliziumsolarzelle, die bislang erreicht wurden, betragen jedoch nur 24%.                                               

Polykristallines Silizium findet immer mehr Verwendung, um die hohen Herstellungskosten der monokristallinen Solarzellen zu verringern, trotz seines geringeren Wirkungsgrades. Die notwendige und aufwendige Einkristallzüchtung, wie bei monokristallinem Silizium, ist dann nicht mehr nötig. Aus diesem Silizium werden auch die Wafern für Dickschichtsolarzellen gefertigt.

Amorphes Silizium ohne kristalline Struktur hat im Vergleich zum monokristallinen Silizium verbessertes Absorptionsverhalten. Damit sind Schichtdicken von nur 1 nm für eine akzeptable Lichtabsorption ausreichend. Aus diesem Silizium werden Dünnschichtsolarzellen hergestellt (Abb. 1b). Nachteile des amorphen Siliziums sind eine geringe Langzeitstabilität und die geringen Wirkungsgrade von etwa 10%.

Halbleiterwerkstoffe für Solarzellen

Neben dem Silizium gibt es noch andere Materialien, die sich physikalisch gesehen für Solarzellen eignen. Dazu gehören andere Halbleiterwerkstoffe, die bedingt durch ihre Eigenschaften für die Dünnschichtsolarzellen verwendet werden. Es sind: Cadmiumtellurid (CdTe), Galliumarsenid (GaAs) sowie Kupfer-Indium-Selenid (CIS) bzw. Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS).

Diese Materialien zeichnen sich durch gute Verarbeitungsmöglichkeiten, hohe Ladungsträgerbeweglichkeit, sowie teilweise sehr hohe Lichtabsorptionsraten aus. Dadurch sind dünne Schichten von circa 2 nm für eine gute Absorption der Sonneneinstrahlung ausreichend. Nachteilig sind die zum Teil noch nicht geklärte Umweltverträglichkeiten (CdTe, GaAs) sowie hohe Kosten für die Ausgangsmaterialien (GaAs).

Cadiumtellurid ist ein kristallines, schwarzes und leider giftiges Pulver. Das Material ist preiswerter als Silizium, allerdings auch nicht so leistungsfähig. Es handelt sich um einen Halbleiterwerkstoff, der
sowohl p- als auch n- leitend hergestellt werden kann. Bisher konnten Wirkungsgrade von bis zu 10% erreicht werden. Der Wirkungsgrad steigt mit abnehmender Einstrahlung an Sonnenlicht, so dass sich dieser Werkstoff vor allem zum Einsatz in Gebieten mit häufig trübem Wetter eignet.

Galliumarsenid ist ein direkter Halbleiter und hat im Vergleich zu Silizium etwas bessere Absorptionseigenschaften. Allerdings sind die Kosten für die Ausgangsstoffe Gallium und Arsen wesentlich höher. Auch das Herstellungsverfahren ist im Vergleich zu Siliziumsolarzellen aufwendiger und daher kostenintensiver. Problematisch ist ebenfalls die Giftigkeit des Ausgangsstoffes Arsen. Die Entsorgung von Galliumarsenid ist schwierig. Solarzellen auf Grundlage dieses Materials weisen die höchsten je gemessenen Wirkungsgrade auf. Dadurch werden sie vor allem dort, wo ein hoher Wirkungsgrad vorausgesetzt wird, etwa in der Raumfahrt, eingesetzt.

Kupfer-Indium-Selenid und Kupfer-Gallium-Selenid sind direkte Halbleiter, welche sehr hohe Absorptionsraten im Bereich des sichtbaren Lichtes aufweisen. Da diese Halbleiter ein breites Spektrum des Sonnenlichts nutzen können, gelingt auch bei ungünstigen Wetterlagen eine gute Umwandlungsquote. Das einkristalline CIS kann sowohl p- aber auch n-leitend sein. CIGS besitzt eine polykristalline Struktur und ist durch Eigendotierung ein Lochleiter (p-leitend). Durch die Kombination mit einem n-leitenden Zinkoxid (ZnO) entstehen Solarzellen. Durch Variation des Anteils an Indium beziehungsweise an Gallium können CIS bzw. CIGS Solarzellen variable an das vorherrschende Sonnenspektrum angepasst werden. In der industriellen Fertigung werden Wirkungsgrade von etwa 10% erreicht. Die Wirkungsgrade des CuGaSe2 bleiben hinter denen des CuInSe2 zurück. Um die Vorteile beider Materialien zu kombinieren, bietet sich die Möglichkeit einer Tandemzelle, also einer kombinierten Solarzelle aus beiden Materialien, an.

Weitere Materialien für Solarzellen

Neben Halbleiter werden auch andere Materialien für Solarzellen verwendet.

Farbstoffsolarzellen FSZ zählen ebenfalls zur Gruppe der Dünnschichtsolarzellen. Allerdings erfolgt die Ladungstrennung hier nicht an einem Übergang zwischen unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien, sondern an einem Feststoff-Elektrolyt Kontakt. Bei den Farbstoffsolarzellen sind die Farbstoff- und das Halbleitermaterial von Bedeutung. An das Farbstoffmaterial einer FSZ werden folgende Eignungsanforderungen gestellt: Der Werkstoff muss eine gute Absorption durch ein breites Absorptionsspektrum ermöglichen.

Des Weiteren muss eine gute Anbindung an das Halbleitermaterial gegeben sein, um eine gute Injektionsrate zu ermöglichen. Ein weiterer Auswahlpunkt ist eine hinreichende Stabilität gegenüber Sonneneinstrahlung. Chlorophylle, Porphirine, Squaraine, Coumarine und Rutheniumkomplexe wurden für die Verwendung als Farbstoff untersucht. Rutheniumkomplexe erfüllen die gestellten Anforderungen an den Farbstoffwerkstoff bisher am besten. An die Halbleiterwerkstoffe in FSZ werden ähnliche Anforderungen gestellt, wie an die Werkstoffe in Halbleitersolarzellen.

Um den Effekt der Photokorrosion, also der anodischen Zersetzung der Halbleiterelektrode zu vermeiden, verwendet man hauptsachlich Titanoxid TiO2 oder Zinnoxid SnO2 als Halbleiterwerkstoff. Neben diesen Materialien werden auch Cadiumsulfid CdS, Cadiumselenid CdSe, Galliumarsenid GaAs sowie Silizium verwendet. Noch nicht oder noch nicht vollkommen gelöste Probleme der farbstoffsensibilisierten Solarzellen verhindern bislang eine industrielle Fertigung. Mit Werten um 7% ist auch der Wirkungsgrad noch zu gering für eine breite Anwendung.

Im Gegensatz zu Halbleiter- und Farbstoffsolarzellen, in denen die Absorption der Sonnenstrahlung durch einen Halbleiter bzw. einen organischen Farbstoff erfolgt, nutzt man bei organischen Solarzellen den Photoeffekt halbleitender Polymere. Der typische Vertreter für dieser Polymere ist Polyacethylen.

Halbleitenden Polymeren wird Kohlenstoff in Form von Fulleren beigemischt. Das Polymer bildet in solch einer Materialkomposition den Donator, der Elektronen abgibt. Die Fulleren-Moleküle nehmen als Akzeptoren die Elektronen auf.

Organische Halbleiter werden bereits in vielen Bereichen, etwa für Leuchtdioden oder Transistoren eingesetzt. Diese Werkstoffe besitzen aber auch für die Verwendung in Solarzellen interessante Eigenschaften. Sie zeichnen sich durch eine hohe photochemische und thermische Stabilität sowie einen sehr hohen Absorptionskoeffizienten aus. Dadurch sind Schichtdicken von ca. 100 nm ausreichend. Der Wirkungsgrad rein organischer Solarzellen liegt noch unterhalb von 1%. Die für einen kommerziellen Gebrauch notwendigen Haltbarkeiten werden vor allem durch eine zu schnelle Zersetzung der verwendeten Polymere noch nicht erreicht.

Die Entwicklung der Solarzellen sowie auch der dafür geeigneten Materialien ist noch keineswegs abgeschlossen.<<

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