Die vielfältige Welt der Solarzellen

Ein Verbund aus Solarzellen bildet ein Solarmodul, mit dem aus Sonnenlicht Strom produziert wird. Dieses macht sich dabei den photoelektrischen Effekt zu nutzen, bei dem unter Lichteinfall im Solarzellenmaterial eine elektrische Spannung aufbaut wird. Beim Anschluss eines Verbrauchers fließt Gleichstrom, der genutzt werden kann. Solche sogenannten photovoltaischen Anwendungen sind aus dem heutigen Alltag nicht mehr weg zu denken. So sind eine große Anzahl an Hausdächern und weitläufigen Freiflächen entlang von Autobahnen mit Solarmodulen ausgerüstet, die im großen Maßstab Strom in das Stromnetz einspeisen. Doch auch bei vielen elektrischen Kleingeräten, wie Taschenrechnern erfolgt die Stromversorgung mittels Sonnenenergie. Je nach Anwendungsfall werden unterschiedliche Materialien und physikalische Eigenschaften benötigt, nach denen man Solarzellen unterscheiden kann.
Die meisten Solarzellen werden aus Silizium hergestellt. Dieses Material zeichnet sich durch seine exzellenten Halbleiterfähigkeiten bei gleichzeitig sehr großer Verfügbarkeit aus. Zunächst unterscheidet man Silizium-Zellen nach ihrer Schichtdicke, in der das Material auf dem Träger aufgebracht wird. Danach erfolgt dann die Unterteilung nach der eingesetzten Kristallstruktur. Beides hat maßgeblichen Einfluss auf die Herstellkosten und den Wirkungsgrad der Solarzelle. Dickschichtzellen, wie man sie in der Regel bei Dachkollektoren einsetzt, haben eine Schichtdicke von mindestens 100 Micrometer. Es handelt sich dabei um Zellen aus kristallinem Silizium, welches je nach Herstellungsprozess in mono- und polykristalliner Ausführung zum Einsatz kommt. Beide Arten haben sich seit langem in der Praxis bewährt und ihre Langzeitstabilität nachgewiesen. Polykristalline Zellen sind allerdings in der Herstellung günstiger, weisen aber mit ca. 16 % einen um ein Fünftel geringeren Wirkungsgrad auf. Zwar zeigen Dünnschichtzellen im Vergleich dazu niedrigere Wirkungsgrade auf, führen aber zu einem geringeren Materialeinsatz. Am häufigstem werden hierbei amorphe Solarzellen eingesetzt, bei denen Silizium mit einer Schichtdicke von etwa zehn Micrometer auf das Trägermaterial aufgedampft werden. Darüber hinaus werden zum Beispiel in der Raumfahrt alternative Halbleitermaterialien eingesetzt. So lassen sich mit Solarzellen auf Basis von Gallium oder Indium sehr hohe Wirkungsgrade erzielen. Diese weisen allerdings durch das begrenzte Rohstoffvorkommen sehr hohe Herstellkosten auf.  Trotz der neuesten wissenschaftlichen Ergebnisse und Neuentwicklungen wird in der Praxis bei der Auswahl zumeist auf polykristalline Solarzellen aus Silizium zurückgegriffen. Diese weisen zwar nicht die höchsten Wirkungsgrade auf, sind aber deutlich günstiger in der Anschaffung und sichern einen dauerhaft wirtschaftlichen Betrieb. Neue Einsatzmöglichkeiten, die große Stückzahlen versprechen, und die Erlangung der Marktreife von anderen Zellentypen können die Verhältnisse aber ändern. Viel versprechende Ansätze liefern hierbei flexible organische Solarzellen, die nicht nur günstig herzustellen sondern auch druckbar sind. Deren tatsächliches Potenzial wird sich zeigen, sobald die Lebensdauer einen wirtschaftlichen Zeitrahmen erreicht hat.