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Das Funktionsprinzip einer Photovoltaikzelle kann im allgemeinen wie folgt beschrieben werden:
Das Basismaterial der Sonnenzellen ist ein Halbleiter, ein besonderer Materialtyp, in welchem die gebundenen Elektronen einfach zu freien Elektronen werden können, wenn sie Licht aufnehmen. (Photonen). Dies wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet, d.h. wenn ein Elektron aus einer Bindung ein Loch (oder Vakanz) freisetzt und sich in der Folge "ein Elektronen-Loch-Paar" bildet.
Die Bildung von Elektronen-Lochpaaren, die auf die Lichtaufnahme zurückzuführen ist, ist eine Grundvoraussetzung für photovoltaisches Material; in einer Photovoltaikzelle ist ein Potenzialunterschied notwendig, welcher es ermöglicht, die Ladungen zu trennen und elektrischen Strom an einen Aussenkreislauf zu liefern. Es ist also ein Prozess notwendig, der als Doping des Halbleiters bezeichnet wird.
In Halbleitern aus kristallinem Silicium (Si), kommt es dadurch zu einer Dotierung, indem man eine kleine Menge an Baratomen (B) ins Silicium einfügt und so einen sogenannten p-Typ erhält.
Wenn man eine kleine Menge an Phosphor (P) einfügt, erzeugt man hingegen einen n-Typ. Sind 3 Valenz-Elektronen (anstatt 4 Si-Valenzelektronen) vorhanden, ist B in der Lage, wenn es von Siliciumatomen umgeben ist, ein freies Elektron zu erhalten und wird deshalb als "Akzeptor" bezeichnet. Ein P-Atom besitzt hingegen 5 Valenz-Elektronen und setzt, wenn es von Si-Atomen umgeben ist, ein zusätzliches Elektron frei (deshalb wird es auch als "Donator" bezeichnet).
Wenn ein p-dotierter Halbleiter mit einem n-dotierten zusammenkommt, entsteht ein Unterschied in der Leistung, also ein elektrisches Feld, welches in der Lage ist, die Ladungsträger (Elektronen/Löcher) zu trennen und elektrischen Strom zu produzieren, wenn die Zelle selbst elektrisch geladen wird.
Die Solarenergiephotonen, die auf die Solarzelle wirken, haben ausreichend Energie, um die Elektronen-Loch-Paare zu trennen und sie frei zu setzen. Die freien Elektronen werden in die Nähe des elektrischen Feldesin RIC n-Seite getrieben, während der Löcher in Richtung P-Seite. Eine Stromladung von aussen – während man den Kreislauf schliesst- ermöglicht den Elektronen in p-Seite zu fliessen und sie rekombinieren mit den Löchern (und umgekehrt).
Das Basiselement ist eine Photovoltaikzelle. Die Photovoltaikzellen schaffen, wenn sie miteinander verbunden werden, ein Photovoltaikmodul. Eine Photovoltaikanlage entsteht wenn die Photovoltaikmodule miteinander verbunden werden.
Photovoltaikzelle - Photovoltaikmodul - Photovoltaikanlage
Es existieren verschiedene Photovoltaiktechnologien. Jede hat, je nach Zellentyp oder je nach angewandter Technologie, verschiedene merkmale. Darunter kommen am haüfigsten vor: monokristallines oder polykristallines Silicium und Dünnschichtzellen (Amorphes, mikromorphes, CIS, CdTe).
Monokristallines Silicium (sc-Si)
Zur Herstellung von monokristallinen Zellen, verwendet man Halbleiter, die eine sehr reine Struktur haben. Aus der geschmolzenen Siliciummasse gewinnt man Balken, die anschliessend in feine Platten (Wafern) geschnitten werden. Diese Produktionsmethode garantiert dem Produkt einen sehr hohen Wirkungsgrad. Es kommt allgemein in den Farben Schwarz und uniformblau vor.
Polykristallines Silicium (mc-Si)
Die Produktion von polykristallinen Zellen ist weniger belastend: in diesem Fall wird die Siliciummasse in Blöcke geschmolzen, welche schliesslich in Scheibchen geschnitten werden. Während des Erstarrungsprozesses bilden sich Kristallstrukturen von unterschiedlicher Grösse, welche auf ihrer Oberfläche einige Mängel aufweisen. Deshalb ist der Wirkungsgrad dieses Typs etwas geringer. Die polykristallinen Siliciumzellen sind im Allgemeinen quadratisch oder rechteckig. Das „scheckige“ und „glänzende“ Aussehen ihrer Oberflächen ist bezeichnend für ihre polykristalline Art.
Amorphes Silicium (a-Si)
Amorphes Silicium ist nicht in kristallinen Strukturen organisiert und Zelle besteht aus einer dünnen Halbleiterschicht (dünner Film). Es kostet zwischen 30-40% weniger als das monokristalline und polykristalline Silicium und hat auch einen geringeren Wirkungsgrad.
Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS)
Beide haben höhere Wirkungsgrade als amorphes Silicium, sind aber, aufgrund ihrer erhöhten Kosten, noch wenig verbreitet. Zwei Nachteile deiser Technologie sind das begrenzte Vorkommen von Indium (In) und die Spuren von Kadmium (Cd) sowie anderer giftigen Materialien.
Tellurkadmium (CdTe)
Neuer Halbleiter mit höherer Leistung als bei jenen, die es jetzt gibt. Diese Technologie hat niedrige Produktionskosten und ein gutes "Energy-Pay-Back Time". Seine Nachteile sind dieselben, wie bei der vorhergenannte Technologie, das geringe Vorkommen von Indium (In) und die Spuren von giftigen Materialien (wie Kadmium) bei der Produktion.
Mehrfachsolarzellen
Um den gesamten Wirkungsgrad der Zellen zu erhöhen, wird diese mit mehreren Halbleitermaterialschichten entwickelt, mit unterschiedlichen Energiegaps (unterschiedlicher Spektralantwort), so dass jede in optimaler Weise die Photonen mit einer unterschiedlichen Energie aufnehmen kann.
|Photovoltaik-Technologie||Wirkungsgrad Modul [%]||Leistung pro m2 von PV Modulen [Wp]||Notwendiger Raum pro 1kWp [m2]|
|sc-Si||14-21||140-210||5-7|
|mc-Si||12-18||120-180||6-8|
|a-Si||4-10||40-100||10-25|
|CIS, CIGS||9-13||90-130||8-11|
|CdTe||12-14||120-140||7-8|
|Celle multigiunzione||7-9||70-90||11-14|
Third generation
Das Gebiet der organischen Solarzellen umfasst alle jene Elemente, deren photoaktiver Teil auf organische Kohlestoffverbindungen beruht. Die Basisstruktur einer organischen Zelle wird als „ein Sandwich“ bezeichnet und setzt sich aus einer Unterschicht, aus Glas oder flexiblen Polymeren und aus einem oder mehreren sehr dünnen Filmschichten zusammen, welche photoaktive Materialien beinhalten, die sich zwischen zwei leitenden Elektroden befinden. Die organischen Zellen mit dem höchsten Wirkungsgrad, die sich am Chlorophyll-Photosynthese-Prozess orientieren, verwenden eine Mischung von Materialien, bei welchem ein Pigment die Sonnenstrahlung aufnimmt und die anderen Komponenten die Funktion übernehmen, elektrischen Strom zu erzeugen. Die Bandbreite der Pigmente, die eingesetzt werden können, schliesst jene auf pflanzlicher Basis ein, ebenso auch die Polymere und die synthetisierten Moleküle. Das Spektrum der organischen Solarzellen ist umfangreich und es befindet sich in verschiedenen Forschungsstufen und in technologischen Reifestadien und umfasst, kurz zusammengefasst, die „Grätzel-Zelle“ (deren photoelektrische aktive Seite aus einem Pigment, aus Titanoxid und aus einem Elektrolyten besteht), die organische Solarzelle (deren aktiver Teil vollkommen organisch oder polymerisch ist), die organische Hybrid-Solarzelle/anorganische und biologische Hybridsolarzelle. Diese letztgenannten, sind wegen der Biokompatibilität des photoaktiven Materials, das in einigen Laborprotoypen verwendet wird, ganz besonders interessant. Im Labor für DSCC-Zellen wurde ein maximaler Wirkungsgrad von 10%-12% und eine Lebensdauer von mehreren Jahren gemessen. Bei der Herstellung einer Solarzelle ist es möglich, einige kostengünstige Skannertechniken , wieInkjet-Drucksysteme anzuwenden, wobei das Photovoltaik-Material auf grosse Flächen und zu sehr reduzierten Kosten in flüssiger Form, wie echte Druckfarben unter freier Luft ausgebreitet werden kann, die Umweltbelastung und die Produktionskosten werden so verringert. Verschiedene Grätzelzellen und Polymere-Komponenten sind schon in Produktion und auf dem Markt erhältlich. (Quelle: www.chose.uniroma2.it)
Lumineszenz-Solarkonzentratoren (LSCs)
Die LSCs (Akronym für Luminescent Solar Concentrators) bestehen aus transparenten Materialplatten (aus Plastik oder aus Glas), in derem Inneren fluoreszierende Farbstoffe verteilt sind, die einen Teil des Sonnenlichtes aufnehmen und es im Innern der Platte selbst ausstossen. Die ausgesendete Strahlung nutzt, unter der Verwendung von optischen Fasern, das Phänomen der totalen Innenreflexion aus und wird in RIChtung der feinen Ränder der Scheibe geführt, wo es auf die Solarzellen, die eine kleine Oberfläche aufweisen, konzentriert wird und die sie in elektrische Energie umformen.