Photovoltaikzellen werden überwiegend aus hochreinem Silizium hergestellt, wie es auch in der Elektronik für Halbleiterbauelemente verwendet wird. Ausgangsmaterial ist Quarzsand, der in großen Mengen verfügbar ist.
Die Siliziumatome bilden ein stabiles Kristallgitter. Durch Zugabe von gezielten Verunreinigungen (Dotierung) können unterschiedliche Ladungspotenziale erzeugt werden. Die dem Sonnenlicht zugewandte Schicht ist mit Phosphor negativ dotiert (Elektronenüberschuss), die darunter liegende Siliziumschicht wird dagegen durch gezielte Beigabe von Boratomen positiv dotiert (Elektronenmangel).
An der Grenzschicht entsteht ein entgegen der Dotierung gepoltes elektrisches Feld, das zur Trennung der durch Sonnenlicht freigesetzten Ladung führt. Bei Lichteinfall entsteht ein elektrisches Energiepotenzial (elektrische Spannung).
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1 Ladungstrennung
2 Rekombination
3 ungenutzte Photonenenergie (zum Beispiel Transmission)
4 Reflexion und Abschattung durch Frontkontakte
Damit eine Photovoltaikzelle elektrische Energie produzieren kann, muss sie dem Sonnenlicht (Photonen) ausgesetzt werden. Photonen sind „Bausteine“ elektromagnetischer Strahlung, so etwa wie „Lichtteilchen“. Treffen Photonen auf die Zelle, werden — bedingt durch deren Energieeintrag — die Elektronen sich freier bewegen können und wieder zurück in das n-dotierte Gebiet gezogen. Gleichzeitig stellt sich im p-dotierten Gebiet wieder ein Elektronenmangel ein. Dieser Vorgang nennt sich photovoltaischer Effekt.
Bewegen sich nun die Elektronen zu den aufgebrachten Kontakten, so entsteht an der Zelle eine elektrische Spannung.
Wird die Zelle nicht belastet, nennt sich diese Spannung auch Leerlaufspannung. Wird nun der Stromkreis geschlossen, fließt ein Gleichstrom.
PV-Zellentypen
Die beiden gebräuchlichsten Zelltypen sind die monokristalline Siliziumzelle und die polykristalline Siliziumzelle. Letztere ist eher selten bei neuen PV-Modulen anzutreffen. Der Wirkungsgrad ist deutlich schlechter.
Die folgende Übersicht zeigt die unterschiedlichen Zelltypen und deren Wirkungsgrade für 1 kWp Leistung.
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Monokristalline Photovoltaikzellen
Beim Tiegelziehprozess wird ein Kristallkeim in eine Siliziumschmelze getaucht und unter langsamem Drehen aus der Schmelze gezogen. Dabei lassen sich völlig regelmäßige Einkristalle mit ca. 30 cm 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.
