Deutsch Die Photovoltaik (PV) befasst sich mit der Umwandlung von Sonnenenergie (Photonen) in elektrische Energie. Moderne PV-Technologien verwenden Halbleitermaterialien, wie sie auch bei Computern und anderen elektronischen Geräten eingesetzt werden. In Halbleitern sorgen Elektronen, die sich aus der Atombindung lösen, für elektrischen Strom.
Heute dominieren zwei technische Bauformen den kommerziellen Einsatz von PV: kristalline Silizium-Solarzellen und Dünnschichtzellen. 80 % und damit die große Mehrheit der eingesetzten Module arbeiten mit kristallinem Silizium; der Rest besteht überwiegend in Dünnschichtzellen. Seit 2008 konnte die Dünnschichttechnologie ihren Anteil vergrößern, vor allem aufgrund der höheren Herstellungskosten von kristallinen Silizium-Solarzellen.
Kristalline Silizium-PV (c-Si)
C-Si-Zellen wurden zum ersten Mal in den 1950er Jahren von Bell Laboratories auf den Markt gebracht. Sie bestehen aus hochreinem Silikon, das in „Wafers“ etwa mit dem Durchmesser eines menschlichen Haars geschnitten wird. Bei der Produktion von Solarzellen kommen drei Arten kristallinen Siliziums zum Einsatz:
Monokristalline Siliziumzellen bestehen aus einkristallinem Silizium, das von zylindrischen Ingots geschnitten wird. Ihr Herstellungsprozess ist relativ aufwendig und damit kostenintensiv.
Poly- oder multikristalline Siliziumzellen werden aus quaderförmig gegossenen Ingots hergestellt. Sie sind billiger als monokristalline Zellen, allerdings auch weniger effizient.
String-Ribbon-Zellen entstehen, indem dünne Wafers direkt aus einer Siliziumschmelze gezogen werden. Es entsteht eine multikristalline Struktur. Solche Zellen sind weniger effizient, jedoch durch den geringeren Materialverbrauch deutlich günstiger.
Monokristalline Silizium-Solarmodule sind das „Arbeitspferd“ in der Solarbranche. Sie sind äußerst robust und unter den kommerziell einsetzbaren Systemen die effizientesten Energiewandler. Doch leider ist der Herstellungsprozess der monokristallinen Strukturen sehr zeitintensiv und teuer.
Polykristalline Solarmodule werden aus einem Siliziumblock hergestellt, der zahlreiche kleine Einzelkristalle enthält. Die Panels sind rechteckig mit Mosaik-artiger Struktur. Polykristalline Module lassen sich deutlich günstiger herstellen als monokristalline, da hier kein homogenes Kristallgitter erzeugt werden muss. Ihr Nachteil liegt in ihrem geringeren Wirkungsgrad im Vergleich zu monokristallinen Modulen.
Dünnschicht-PV (CdTe, a-Si, CIGS)
Die Dünnschicht-Photovoltaik stellt den wachstumsstärksten Sektor in der Solarzellenbranche dar. Dünnschichtzellen werden hergestellt, indem sehr dünne Schichten von Halbleitermaterialien auf kostengünstige Trägermaterialien wie Glas, Kunststoff oder Metall aufgebracht werden. Dünnschicht-Halbleiter absorbieren Licht besser als kristallines Silizium. Folglich können Dünnschichtmodule mit weniger Halbleitermaterial hergestellt werden als kristalline Siliziummodule und sind entsprechend günstiger.
Gegenwärtig gibt es drei führende Herstellungsvarianten bei Dünnschichtmodulen:
CdTe oder Cadmiumtellurid-Dünnschichtmodule bieten derzeit die niedrigsten Produktionskosten je Watt-Peak aufgrund der Kombination aus unkomplizierter Produktion und höherem Wirkungsgrad (aktuell 6–11 %, limitiert auf maximal 31 %).
a-Si- bzw. amorphe Silizium-Dünnschichtmodule entstehen durch ein erprobtes, doch langwierigeres Herstellungsverfahren. Ihr Wirkungsgrad ist geringer (aktuell 6–8 %, limitiert auf maximal 12 % im Labor). Die Mikrokristallin-Technologie kommt hier zum Einsatz, um die Wirkungsgrade amorpher Siliziumprodukte auf etwa 10 % zu erhöhen.
CIGS (Kupfer, Indium, Gallium, Selenid)-Dünnschichtmodule erreichen mit maximal 13–14 % und einem Durchschnitt von 10 % die höchsten Wirkungsgrade. Es gibt allerdings bei größeren Maßstäben Probleme mit der Uniformität der aktiven Schicht, und auf Stahl funktioniert die Technik noch nicht.
Alle Dünnschicht-Solarzellen, die derzeit produziert werden, benötigen bei der Herstellung seltene Elemente wie Indium oder Tellur. Das globale Vorkommen dieser Elemente ist sehr begrenzt. Oft gibt es sie nur an wenigen Orten der Erde, und der Export wird von den jeweiligen Staaten streng kontrolliert. Dünnschicht-Technologien bieten zwar Kostenvorteile, doch keine von ihnen erreicht kommerziell reproduzierbare Wirkungsgrade über 17 %. Aus diesen Gründen ist die Dünnschichttechnik nicht zur globalen Energiegewinnung im Terawatt-Maßstab geeignet.
