mini|Polykristalline Silicium-Solarzellen in einem Solarmodul Eine Solarzelle (fachsprachlich auch photovoltaische Zelle genannt) ist ein elektrisches Bauelement, eine Photodiode, die Strahlungsenergie, in der Regel Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie umwandelt. Die Anwendung der Solarzelle ist die Photovoltaik, wo sie als Stromquelle dient. Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der photovoltaische Effekt, der ein Sonderfall des inneren photoelektrischen Effekts ist.
Es existieren viele verschiedene Zelltypen, die sowohl nach dem verwendeten Halbleitermaterial als auch nach der Zelltechnologie (waferbasiert oder Dünnschicht) unterschieden werden können. Wichtigstes Halbleitermaterial ist Silicium, aus dem im Jahr 2023 etwa 97 % aller weltweit hergestellten Solarzellen gefertigt wurden; der Marktanteil von Dünnschichtzellen lag bei rund 3 %.Photovoltaics Report (PDF; 3,7 MB) Internetseite von Fraunhofer ISE. Abgerufen am 5. Juni 2015. Durch Reihenschaltung von einzelnen Solarzellen und abschließende Kapselung entstehen die zur Energieerzeugung verwendeten Solarmodule.
Einteilung
Übersicht mini|Anteile der verschiedenen Technologien mini|Schwarzlichttest der GaAs-Triple-Junction-Solarzellen der Raumsonde DawnOrbital Sciences Corporation (Hrsg.): Dawn. Investigating the „Dawn“ of Our Solar System (fact sheet) (PDF; 1,4 MB). 2009 (englisch).
Solarzellen kann man nach verschiedenen Kriterien einordnen. Das gängigste Kriterium ist die Materialdicke. Dabei wird nach Dickschicht- und Dünnschichtzellen unterschieden.
Ein weiteres Kriterium ist das verwendete Halbleitermaterial. Am häufigsten wird Silicium eingesetzt. Daneben finden auch weitere Halbleiter Verwendung wie Cadmiumtellurid, Galliumarsenid. Bei sogenannten Tandem-Solarzellen kommen Schichten unterschiedlicher Halbleiter zur Anwendung, beispielsweise Indiumgalliumarsenid in Kombination mit Indiumgalliumphosphid.
Die Kristallstruktur kann kristallin (mono-/polykristallin) oder amorph sein.
Neben anorganischen Halbleitermaterialien gibt es auch organische Solarzellen und Farbstoffsolarzellen sowie anorganisch-organische Hybride.Zhiliang Ku et al., Full Printable Processed Mesoscopic CH3NH3PbI3/TiO2 Heterojunction Solar Cells with Carbon Counter Electrode. In: Scientific Reports 3, (2013), doi:10.1038/srep03132 Die Entwicklung ist keineswegs abgeschlossen.
Manchmal werden auch zur Gewinnung von Wärme eingesetzte Sonnenkollektoren umgangssprachlich fälschlicherweise als Solarzelle bezeichnet. Sie erzeugen aber keinen elektrischen Strom, sondern erwärmen Wasser (Boiler).
Material mini|Solarpanel
Siliciumzellen Dickschicht Monokristalline Siliciumzellen (c-Si) weisen im großtechnischen Einsatz einen Wirkungsgrad von über 25 % und eine Leistungsdichte von 20 bis 50 W/kg auf. Die Technik gilt als gut beherrscht. Polykristalline Zellen, auch Multikristalline Zellen genannt (poly-Si oder mc-Si), besitzen relativ kurze Energie-Rücklaufzeiten und wurden die verbreitetsten Zellen. Sie erreichen im großtechnischen Einsatz Wirkungsgrade von knapp 18 %. Der Verzicht auf das energie- und zeitaufwändige Rekristallisieren eines Einkristalls wird mit etwas geringeren Leistungen erkauft. Experimentelle Zellen erreichen Wirkungsgrade über 20 %.Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. 3. Auflage, München 2013, S. 126. Dünnschicht Amorphes Silicium (a-Si) erreichte ab den 1980er-Jahren den größten Marktanteil bei den Dünnschichtzellen. Sie sind bekannt von Kleinanwendungen wie Taschenrechnern. Die Modulwirkungsgrade liegen zwischen 5 und 7 % und haben eine Leistungsdichte bis ca. 2000 W/kg. Hier gibt es keine Materialengpässe selbst bei Produktion im Terawatt-Maßstab. Durch Tandem- und Tripelzellen mit teilweise unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit konnten neben der Steigerung des Wirkungsgrades um 10 bis 20 % die Degradationsprobleme verringert werden. Kristallines Silicium, z. B. mikrokristallines Silicium (µc-Si), wird auch in Kombination mit amorphem Silicium als Tandemzellen eingesetzt und erreicht so höhere Wirkungsgrade bis zu erwarteten 15 %. Hergestellt werden sie ähnlich wie Solarzellen aus amorphem Silicium. Durch die Kombination von zwei Solarzellen mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit (Bandlücke), wobei die vordere natürlich semitransparent sein muss, ist ein höherer Gesamtwirkungsgrad erreichbar. Allerdings ist bei einer einfach zu realisierenden Reihenschaltung die erforderliche Übereinstimmung der Ströme nur sehr unvollkommen zu erreichen. Solarzellen-Duos in einer unter Praxisbedingungen erfolgversprechenderen Parallelschaltung oder mit einer Anpasselektronik sind bisher nur als Laborexperiment bekannt. Si Wire Array (Laborstadium): Durch Bestücken einer Oberfläche mit dünnsten Drähten ist diese neue Solarzelle biegsam und benötigt nur 1 % der Siliciummenge verglichen mit herkömmlichen Solarzellen.SolarServer: , abgerufen am 31. Mai 2012. III-V-Halbleiter-Solarzellen Galliumarsenid-Zellen (GaAs) zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade (im Jahr 2009 experimentell bis 41,1 %), sehr gute Temperaturbeständigkeit, geringerem Leistungsabfall bei Erwärmung als kristalline Siliciumzellen und Robustheit gegenüber UV-Strahlung aus. Sie sind allerdings sehr teuer in der Herstellung. Eingesetzt werden sie häufig in der Raumfahrt (Galliumindiumphosphid, (Ga,In)P/Galliumarsenid, GaAs/Germanium, Ge). Tripelzellen (Tandem-Solarzelle mit drei monolithisch gestapelten p-n-Übergängen) haben den höchsten kommerziell lieferbaren Wirkungsgrad von fast 30 %.heise: 28,2 % Wirkungsgrad erreicht. heise.de; abgerufen am 24. Juni 2011. II-VI-Halbleiter-Solarzellen CdTe-Zellen sind großtechnisch durch chemische Badabscheidung (CBD) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) sehr günstig herstellbar und finden Verwendung in Dünnschichtsolarzellen; für eine Laborsolarzelle sind schon (19,6 ±0,4) % erreicht worden, Modul-Wirkungsgrade inzwischen (2007) bei 10 %, Langzeitverhalten noch nicht bekannt. I-III-VI-Halbleiter-Solarzellen CIS-, CIGS-Solarzellen (Chalkopyrite) bestehen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Dieses Material wird in Dünnschichtsolarzellen angewendet – hier ist CIGS das leistungsstärkste Material mit Laborwirkungsgraden von mittlerweile 22,6 % (Juni 2016). Der Modul-Wirkungsgrad beträgt derzeit 17,4 % (Stand Februar 2012, Pressemitteilung der Firma Q-Cells vom 29. November 2011, abgerufen am 14. Februar 2012). 1999 konnte Siemens Solar die ersten Module zeigen. Verschiedenste Hersteller haben unterschiedliche Fertigungsverfahren entwickelt. Bisher hat trotz des hervorragenden Designs noch keiner nennenswerte Marktanteile erreicht. Indium ist teuer und als Ressource beschränkt. Organische Solarzellen (OPV): Die organische Chemie liefert Werkstoffe, die möglicherweise eine kostengünstige Fertigung von Solarzellen erlauben. Bisheriger Nachteil ist ihr derzeit noch schlechter Wirkungsgrad von maximal 17,3 % und die recht kurze Lebensdauer (max. 5000 h) der Zellen. Farbstoffzellen – Grätzel-Zellen, DSC oder DSSC (dye-sensitized (solar) cell) – nutzen organische Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie; ein Vorgang, der an die Photosynthese anlehnt. Sie sind meistens lila. Diese Zellen liefern mit einem leitfähigen Polymer wie Polypyrrol an der Kathode den besten Wirkungsgrad aller organischen Solarzellen von über 10 %, haben jedoch aufgrund aggressiver Elektrolyte eine begrenzte Lebensdauer. Halbleiter-Elektrolytzellen: z. B. Kupferoxid/NaCl-Lösung. Sehr einfach herstellbare Zelle, jedoch in Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit limitiert. Perowskit-Solarzellen: Diese Solarzellen können lösungsmittelbasiert und somit relativ günstig hergestellt werden. Zudem sind die Wirkungsgrade von im Labor gebauten Zellen mit Siliciumzellen vergleichbar. Allerdings gibt es noch Probleme in der Stabilität, der Skalierbarkeit und der nötigen Verwendung von giftigen Stoffen wie z. B. Blei.
Materialverfügbarkeit Silicium, der Grundstoff für die Solarzellen, steht in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung. Silicium kommt in der Natur als Siliciumoxid (Quarz) oder Silicat vor und wird vom Sauerstoff unter hoher Temperatur getrennt. Daneben benötigen Siliciumzellen eine Kontaktschicht, die in herkömmlichen Zellen zumeist aus Silber besteht; ein Metall, das nur in begrenztem Maße zur Verfügung steht. Da Silber zudem teuer ist, wurden Alternativen zur Silbernutzung entwickelt und in den Markt eingeführt, insbesondere auf Basis von Aluminium und Kupfer. Diese stehen in großen Mengen zur Verfügung und sind in Bezug auf Materialverfügbarkeit auch bei Einsatz im TW-Bereich unkritisch.Antonio García-Olivares, Substituting silver in solar photovoltaics is feasible and allows for decentralization in smart regional grids. In: Environmental Innovation and Societal Transitions (2015), doi:10.1016/j.eist.2015.05.004. Mit Stand 2019 existieren auch Hocheffizienz-Zellen, die ohne Silber zur Kontaktierung auskommen.
Bei seltenen Solarzellenmaterialien wie etwa Indium, Gallium, Tellur und Selen überschreitet der weltweite Verbrauch (Indium etwa 850 Tonnen, bei Gallium etwa 165 Tonnen) die jährliche Produktionsmenge.USGS Minerals Information Auffallend war der stark steigende Verbrauch von Indium in Form von Indiumzinnoxid in der Flüssigkristall- und OLED-Bildschirmherstellung sowie die Verwendung von Gallium und Indium in der Produktion von Leuchtdioden zur Produktion energiesparender Leuchtmittel und als Hintergrundbeleuchtung für Flachbildschirme.
Bei dem auch bei der Herstellung von Leuchtdioden bedeutsamen Indium wird einerseits bis 2035 mit einem Versiegen der Ressourcen gerechnet,Lars Fischer: wissenschaft-online.de Rohstoffe: Die Rohstoffkrisen der Zukunft. spektrum-direkt, 29. März 2011; abgerufen am 12. September 2011. da sich die theoretischen Indiumvorräte im Jahr 2006 auf nur 6000 Tonnen, die ökonomisch abbaubaren Reserven auf sogar nur 2800 Tonnen beliefen.Indium Vorräte laut USGS Mineral Commodity Summaries (2006). (PDF; 74 kB) minerals.usgs.gov Andere Quellen reden von 50.000 Tonnen und Speisung des Verbrauchs aus Recycling. Die Sekundärproduktion, also das Recycling, übertrifft die Primärproduktion und lag im Jahr 2008 bei 800 Tonnen.Indium and Gallium Supply Sustainability September 2007 Update. 22nd EU PV Conference, Milan, Italy, 16. Februar 2009.
Die Situation bei Selen und beim noch selteneren Tellur (beide Halbmetalle liegen in geringer Konzentration im Anodenschlamm der Kupferelektrolyse vor) erscheint auf den ersten Blick weniger kritisch, da die Kupferproduzenten derzeit nur einen Teil des in Metallelektrolyse anfallenden Anodenschlamms zur Selen- oder Tellurgewinnung einsetzen. Die ökonomisch erschließbaren Selenreserven werden auf 82.000 Tonnen, die Tellurreserven auf 43.000 Tonnen geschätzt. Dies ist wenig, selbst im Vergleich zu den Reserven des ebenfalls nicht besonders häufigen Buntmetalls Kupfer von 550 Millionen Tonnen.
Die Produktionsprozesse, in denen Gallium, Indium, Selen und Tellur eingesetzt werden, verfügen über eine ungünstige Materialökonomie und müssen verbessert werden.
Bauformen mini|Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Silicium (mono- und polykristallin) mini|Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Galliumantimonid
Neben dem Material ist die Bauweise von Bedeutung. Man unterscheidet Solarzellen nach ihren Oberflächenstrukturierungen, den Kontaktierungen auf Vorder- und Rückseite sowie ihren Schichtstrukturen (z. T. bedingt durch Materialkombinationen unterschiedlicher Absorptionswellenlängen, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden kann, indem das Sonnenspektrum optimal ausgenutzt wird); Näheres dazu weiter unten unter „Typen von Silicium-Solarzellen“ und „Andere Solarzellentypen“.