Wie wird aus Licht Strom?
Als Photovoltaik bezeichnet man die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Die Umwandlung geschieht in Solarzellen, den wichtigsten Elementen einer PV-Anlage. Eine Solarzelle besteht aus zwei Siliziumschichten, die unterschiedliche elektrische Eigenschaften besitzen. An den Grenzflächen der Schichten bildet sich ein elektrisches Feld, das die bei Lichteinstrahlung entstehenden freien Ladungsträger trennt. Dadurch baut sich zwischen den Metallkontakten der Zelle eine elektrische Spannung auf, so dass bei Anschluss eines Verbrauchers Strom fließt.

Das Funktionsprinzip
Der Wechselrichter wandelt den vom Solargenerator erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um und passt die Frequenz an das Wechselstromnetz an. Zunächst gelangt der Gleichstrom zu den Transistoren, die ihn durch schnelles Ein- und Ausschalten "zerhacken" und einen Sinus erzeugen. Der Strom, der von den Solarmodulen kommt, wird in einem Kondensator zwischengespeichert und in Pulsen ans Netz abgegeben. Die Drosselspule am Ausgang dient dazu, den erzeugten Wechselstrom in einen perfekten Sinusstrom zu verwandeln.

Vom Sand zum Silizium
Das Ausgangsmaterial für Silizium-Solarmodule ist Quarzsand, mit der chemischen Formel SiO2. Durch Reduktion mit Kohlenstoff wird das Silizium gereinigt: SiO2 + C = Si + CO2.
Es hat jetzt einen Reinheitsgrad von ca. 98%. Um hochreines Silizium zu erhalten, müssen noch geringfügige Beimischungen von anderen Elementen entfernt werden. Dafür wird das Silizium in gasförmiges Siliziumtetrachlorid überführt; verunreinigende Elemente lassen sich jetzt abtrennen. Anschließend wird das Siliziumtetrachlorid mit Wasserstoff wieder reduziert, so dass man am Ende hochreines Silizium hat, das granulatartig vorliegt (mit einem Reinheitsgrad von nahezu 100%) und als Abfallprodukt Salze, die die Verunreinigungen enthalten: Si + 2Cl2 = SiCl4, SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl.

Vom Silizium zum Wafer

Als Wafer bezeichnet man die reine Siliziumscheibe vor der Weiterverarbeitung zur Solarzelle. Die Wafer unterteilen sich in Produkte aus a) monokristallinem, b) polykristallinem und c) amorphem Silizium. Fertigungswege:

a) monokristallines Silizium
Eine Möglichkeit zur Herstellung von monokristallinen Wafern besteht in dem so genannten Czochralski-Prozess. Hierzu wird das Silizium in einem hitzebeständigen „Topf" eingeschmolzen. Nun wird von oben ein kalter, einkristalliner Siliziumstab in das flüssige Silizium geführt und langsam wieder herausgezogen. An diesem Impfkristall erstarrt die Schmelze mit der gleichen Kristallausrichtung über eine Länge von bis zu mehreren Metern. Wird während des Prozesses der Kristall kontinuierlich in die Höhe gezogen, „wächst" ein Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von bis zu 300 Millimetern aus der Schmelze nach. Der Zylinder wird nun in Scheiben von 250-350 µm „Dicke" zersägt. Hierbei gehen bis zu 50 % des Materials als Sägeschnitt verloren. Durch Einsatz anderer Herstellungsverfahren kann man diesen Verlust drastisch verringern. Beispiel hierfür ist das so genannte EFG-Verfahren, bei dem achteckige Rohre aus der Siliziumschmelze gezogen werden. Der Wirkungsgrad monokristalliner Zellen liegt bei etwa 17%.

b) polykristallines Silizium
Ein Herstellungsverfahren für diese Zellen ist das Blockkristallisationsverfahren. Wieder wird das Silizium-Granulat in großen Töpfen geschmolzen. Nun gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder lässt man das Silizium in diesem Topf zu Poly-Kristallen erstarren, oder es wird in eine Form gegossen, in der es unter anderen Prozessbedingungen ebenfalls wieder erstarrt. Auch aus diesen Blöcken werden jetzt die dünnen Wafer geschnitten. Im Unterschied zum monokristallinen Verfahren, sind diese Verfahren kostengünstiger und schneller. Polykristallinen Zellen besitzen einen Wirkungsgrad von ca. 15%.

c) amorphes Silizium
Die Solarzellen aus amorphem Silizium sind so genannte Dünnschicht-Zellen. Hierbei wird das Silizium auf eine Trägerschicht aufgedampft. Diese Technik macht bisher einen kaum messbaren Anteil am Weltmarkt aus. Sie bietet natürlich viele Möglichkeiten, da der Materialverbrauch sehr gering ist (die Siliziumschicht hat nur eine Dicke von unter einem µm!), was eine Kostenreduzierung bedeutet. Der Nachteil amorpher Zellen besteht einerseits in einem wesentlich geringeren Wirkungsgrad (7-8%, unter Testbedingungen wurden auch Wirkungsgrade bis 12% nachgewiesen) und andererseits in einer Degradation des Wirkungsgrades mit der Zeit (Staebler-Wronski-Effekt).

Vom Wafer zur Solarzelle
Als Solarzelle bezeichnet man den phosphordotierten, mit Metallkontakten versehenen Wafer. Auch die Antireflexionsschicht ist schon aufgebracht.
Wie wird nun aus einem Wafer eine Solarzelle? Wie funktioniert die Stromerzeugung? Die Siliziumscheibe wurde mit Bor-Atomen gezielt verunreinigt (dotiert). Nun wird auf der Oberseite eine Dotierung mit Phosphor-Atomen vorgenommen. (Dadurch entstehen zwei Schichten, die p-Halbleiter- und die n-Halbleiterschicht.) Silizium ist vierwertig, Phosphor fünf- und Bor dreiwertig. Wird nun ein Phosphoratom in ein bor-dotiertes Siliziumkristall eingebunden, so bleibt ein Elektron „übrig", das sich frei in der Siliziumscheibe bewegt, es sei denn, es trifft auf sein Gegenstück, ein Atom mit einem Elektron zu wenig. Das dreiwertige Bor ist genau dieses Gegenstück, da ihm im Vergleich zum Silizium ein Elektron fehlt. Es verfügt also über die Lochstelle, um das sich frei bewegende Elektron wieder „einzufangen".
Im Inneren der Siliziumscheibe, in der Grenzschicht zwischen den unterschiedlich verunreinigten Siliziumfeldern, entsteht dadurch ein elektrisches Feld, die sogenannte Raumladungszone (auch pn-Übergang genannt). Trifft nun Licht auf die Solarzelle, so geraten die Phosphor- und Bor-Atome in einen angeregten Zustand. Zur Freisetzung von Elektronen aus dem Verbund wird nur eine bestimmte Menge Energie benötigt. Haben die Photonen, die Energieträger des Lichtes, mehr als diese Energie, so wird der Rest in Wärme umgewandelt. Freie Elektronen bewegen sich nun durch das Siliziumkristallgefüge. Geraten sie dabei in den Bereich der Raumladungszone, so werden sie als negativ geladenen Teilchen von der darunterliegenden, nun positiv geladenen Zone, angezogen. Dieser Prozess hält an, solange Licht auf die Zelle auftrifft. (Die Elektronenmenge, die sich in der Zelle bewegt, ist mit der Stromstärke gleichzusetzen. Je höher Einstrahlungsintensität und Zellenfläche, desto stärker fließt der Strom. Verluste entstehen dadurch, dass ein Elektron auf ein Loch trifft und mit diesem „rekombiniert".)
Besteht eine elektrische Verbindung zur Unterseite der Zelle über einen äußeren Stromkreis, so können die Elektronen über die aufgebrachten Metallkontakte abfließen. Die Spannung, die dabei entsteht, beträgt bei einer Siliziumzelle etwa 0,6 Volt. Die Elektronen können nur über die an Ober- und Unterseite angebrachten, elektrisch verbundenen Metallkontakte zur positiv geladenen Unterseite gelangen, um dort die freien Lochstellen zu besetzen. Da aber jedes Elektron immer den stabilen Zustand anstrebt, wandern die Elektronen wieder an ihren Ausgangspunkt zurück. An der Verbindung zwischen den Zellschichten kann der Strom nun durch einen Verbraucher (z.B. eine Lampe) geleitet werden. Um das Abstrahlen des Lichtes zu verhindern, was eine geringere Ausbeute der Zelle zur Folge hätte, wird schließlich auf die Oberseite der Zelle eine Antireflexionsschicht aufgebracht.

Von der Solarzelle zum fertigen Modul
Hierzu gehören Prozesse wie Verkleben der Solarzellen, Vergießen der Abdeckplatte, Randabdichtung, und natürlich, die Rückseitige Verkabelung.