Hier machen wir nun weiter mit den Zellarten. Die Zellart bestimmt wesentlich die Effizienz der Stromerzeugung, aber lest doch ruhig mal weiter.
Monokristalline Photovoltaikzellen
Beim Tiegelziehprozess (Czochralski-Verfahren) wird ein Kristallkeim in eine Siliziumschmelze getaucht und unter langsamen Drehen aus der Schmelze gezogen. Dabei lassen sich völlig regelmäßige Einkristalle mit ca. 30cm Durchmesser und mehreren Metern Länge herstellen. Die Stangen werden in ca. 0,18-0,22 mm dicke Scheiben (Wafer) geschnitten. Ausgehend von den bereits p-dotierten Wafern wird eine dünne n-dotierte Schicht durch Phosphor-Diffusion hergestellt. Nach Aufbringen der Rückkontaktschicht werden die Wafer auf der Vorderseite mit Stromabnahmelinien und einer Antireflexschicht versehen. Die Antireflexschicht lässt die eigentlich silbergrauen Zellen bläulich bis schwarz schimmern.
Polykristalline Photovoltaikzellen
Beim Blockgießverfahren wird Silizium im Vakuum erhitzt und in eine Form gegossen. Beim Abkühlen entstehen viele kleine Kristalle (Eisblumenmuster). Die Siliziumblöcke werden in Stangen und anschließend in Wafer zersägt, die bereits ihre rechteckige Form haben. Danach werden wieder eine n-dotierte Schicht, eine Rückkontaktschicht sowie auf der Vorderseite Stromabnahmelinien und eine Antireflexschicht aufgebracht. Das Verfahren ist kosten- und energiesparender als die Herstellung von monokristallinen Zellen. Der etwas schlechtere Wirkungsgrad dieser Zellen wird dadurch verursacht, dass an den Grenzen der einzelnen Kristalle der photovoltaische Effekt beeinträchtigt wird.
Der Sägeverschnitt bei mono- und polykristallinen Zellen beträgt bis zu 50 %. Um die Materialverluste zu reduzieren, wurden verschiedene Bandziehverfahren zur Herstellung von polykristallinem Silizium entwikkelt. Die Siliziumbänder besitzen bereits die spätere Dicke der Wafer, zukünftig werden sich Wafer mit nur noch 0,1 mm Dicke erzeugen lassen. Die Bandziehverfahren sind Energie- und Materialsparender und haben ein enormes Kostensenkungspotenzial.
Beim EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth), das auch für polykristalline Module eingesetzt wird, wird ein achteckiger, formgebender Träger aus Grafit in die Siliziumschmelze getaucht und gezogen. Es entstehen mehrere
Meter lange, achteckige Röhren, aus denen die Wafer geschnitten werden. Dabei gehen weniger als 10 % des Materials als Verschnitt verloren. Das EFG-Silizium ist zwar polykristallin, hat aber wenig Korngrenzen und Kristallfehler
und ähnelt daher im Erscheinungsbild den monokristallinen Zellen.
Dünnschichtzellen
In Dünnschicht-PV-Zellen wird amorphes (gestaltloses) Silizium, Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder Cadmium-Tellurid (CdTe) verwendet. Die photoaktiven Halbleiter werden als dünne Schichten auf ein Trägermaterial, z.B. Glas, aufgebracht. Eingesetzt werden das Aufdampf-Verfahren, das Sputter-Verfahren oder elektrolytische Bäder. Aufgrund der hohen Lichtabsorption der verwendeten Materialien sind theoretisch Schichtdicken kleiner als 0,001 mm zur Umwandlung des Sonnenlichts ausreichend. Im Vergleich zur Herstellungstemperatur von monokristallinem Silizium von bis zu 1.500 °C werden für Dünnschichtzellen lediglich Temperaturen von 200 bis 500°C benötigt. Der geringe
Material- und Energiebedarf für die Herstellung und der hohe Automatisierungsgrad bei der Fertigung lassen erhebliche Einsparpotenziale zu. Der Wirkungsgrad der Zellen ist allerdings deutlich kleiner als bei mono- oder
polykristallinen PV-Zellen. Dünnschichtzellen sind in der Form wesentlich flexibler als die standardisierte Waferherstellung. Während kristalline Photovoltaikzellen Stück für Stück miteinander verlötet werden müssen, erfolgt bei Dünnschichtzellen die elektrische Trennung und Verschaltung benachbarter Zellen durch Strukturierungschritte während der Herstellung. Zur Herstellung von Dünnschichtmodulen wird das Rohmodul, eine Glasscheibe mit mehreren in Reihe geschalteten Dünnschichtzellstreifen, in einem Verbundmaterial verkapselt und mit einer weiteren Glasscheibe vor Witterungseinflüssen geschützt.
Photovoltaikzelle –Photovoltaikmodul – PV-Generator
Bei der Modulherstellung werden mehrere PV-Zellen elektrisch verbunden und in eine Schicht aus Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) gebettet. In der Vakuumkammer schmilzt bei erhöhter Temperatur das EVA und umschließt Zellen, Frontscheibe und Glasrückwand bzw. Rückseitige Folie. So ist das Photovoltaikmodul dauerhaft vor Witterungseinflüssen und Feuchtigkeit geschützt. Eine Anschlussdose mit Bypassdioden wird auf der Modulrückseite angebracht.
Mehrere Photovoltaikmodule werden zu einem PV-Generator verschaltet. Strom und Spannung des PV-Moduls sind abhängig von der Einstrahlung und der Temperatur und werden über die charakteristische elektrische Kennlinie
des Moduls bei Standardtestbedingungen beschrieben.
Der Punkt der Kennlinie, an dem das Produkt aus Strom und Spannung am größten ist, wird als Punkt maximaler Leistung „MPP“ – (engl., Maximum Power Point bezeichnet (maximale Fläche unterhalb der Kennlinie im I-U-Kennlinie). Die Lage des MPP ändert sich aufgrund unterschiedlicher Einstrahlung und Temperatur ständig. Daher muss der Wechselrichter zu jedem Zeitpunkt die Betriebsspannung des PVGenerators regeln (MPP-Tracking).
ISC ist der Schnittpunkt der Kennlinie auf der Stromachse, bei dem der maximale Strom bei Kurzschluss fließen kann (Plus- und Minuspol der Photovoltaikzelle verbunden). U0C ist die Spannung bei offenen Klemmen (maximale Leerlaufspannung).
Alle Bilder/Grafiken: Vaillant Deutschland GmbH
