Wie werden Solarzellen hergestellt?

Je nach Halbleitermaterial, Materialdicke oder Kristallstruktur kann man unterschiedliche Typen von Solarzellen unterscheiden. Am häufigsten vertreten sind Dickschichtsolarzellen, in denen vor allem Silizium als Halbleiter verwendet wird. Silizium ist ein häufig vorkommender Rohstoff, der in unterschiedlichen chemischen Verbindungen vor allem in silikatischen Mineralien, Sand und Quarz vorhanden ist. Die Gewinnung von reinem Silizium ist ein energetisch aufwendiger Prozess, denn Silizium reagiert bereits bei Raumtemperatur mit Sauerstoff. Reinstes Silizium wird auch für die Chipherstellung benötigt, für sogenanntes „Solarsilizium“ reicht aber eine etwas geringere Reinheit aus. Siliziumwafer sind die Halbfertigprodukte, aus denen Solarzellen hergestellt werden.

Der Ingot ist der Zwischenschritt, aus dem die sogenannten Wafer hergestellt werden. Man unterscheidet monokristalline und polykristalline Ingots, wobei monokristalline die teurere Variante aus hochreinem Silizium darstellen. Bei der Herstellung monokristalliner Ingots wird Silizium in einem Tiegel hocherhitzt und die Schmelze an Stäben angelagert, während der Tiegel gedreht wird. Beim Erkalten setzt sich ein Kristallwachstum an den Stäben fort, wodurch ein Einkristall in Zylinderform entsteht.

Diese Siliziumkristalle werden in 0,15 bis 0,25 mm dünne Scheiben gesägt, die sogenannten Wafer. Die Kristallstruktur in monokristallinen Wafern ist aufgrund des Herstellungsverfahrens homogen. Bei der Herstellung polykristalliner Ingots wird das Silizium in quadratischen Tiegeln erhitzt. Beim Auskühlen bilden sich anschließend viele unterschiedlich große und unterschiedlich gerichtete Kristallzonen aus.

Im nächsten Schritt werden die Wafer dann „dotiert“. So bezeichnet man das Einbauen von Fremdatomen in das vorhandene Siliziumgitter, sodass ein Ladungsunterschied zwischen den einzelnen Schichten entsteht. Um das Sonnenlicht besonders effektiv auszunutzen, wird auf dem Wafer eine Antireflexionsschicht aus Siliziumnitrid oder Titanoxid aufgebracht. Danach werden die Kontakte im Siebdruckverfahren auf die Wafer gedruckt und dann durch Einbrennen verfestigt. Auf der Rückseite stellt man die Kontakte durch Silberkontaktstellen auf einer Aluminiumschicht her.

Beim Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen wird mit Wasserstoff gearbeitet. Dieser wird mit Silizium zu Mononsilan (SiH₄) umgesetzt. Diese gasförmige Verbindung wird auf ein Trägermaterial aufgedampft und bei niedrigen Temperaturen zersetzt, wobei sich amorphes, nichtkristallines Silizium abspaltet. In weiteren Schichten werden elektrisch leitenden Oxide, die als Kontakt dienen, aufgebracht. Diese Schichten werden entweder mechanisch oder mittels Laser strukturiert, sodass die einzelnen Zellen entstehen.

Monokristalline Solarzellen zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer von über 20 Jahren aus. Außerdem sind sie mit einem Wirkungsgrad zwischen 14 und 18 Prozent die leistungsfähigsten Solarzellen, die aktuell auf dem Markt angeboten werden. Ihre Herstellung ist jedoch im Vergleich teuer und aufwendiger. Die höchsten Wirkungsgrade von knapp 30 Prozent wurden mit sogenannten Tandemsolarzellen erzielt. Diese Zellen bestehen aus zwei oder mehr Solarzellen, die übereinandergeschichtet sind. Dadurch kann Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen von der Zelle absorbiert werden. Organische Solarzellen, deren Besonderheiten wir in einem früheren Artikel schon beschrieben haben, bestehen aus Kohlenwasserstoffverbindungen und sind noch eine relativ neue Technologie mit vielen neuen Anwendungspotenzialen.

Quellen:

Solarenenergie.de

https://solarenergie.de/hintergrundwissen/solarenergie-nutzen/solarzellen/solarzellen-herstellung, aufgerufen am 26.03.2022 um 17 Uhr.

https://www.energie-experten.org/erneuerbare-energien/photovoltaik/solarmodule/monokristalline-module, aufgerufen am 26.03.2022 um 14 Uhr.

Wikipedia, Solarzelle:

https://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle#Einteilung, aufgerufen am 28.03.2022 um 9 Uhr.