Solarzellen aus polykristallinem Silizium	Solarzellen aus monokristallinem Silizium

Kristallines und amorphes Silizium

Die ersten Solarzellen wurden Anfang der fünfziger Jahre von US-Wissenschaftlern entwickelt. Sie hatten einen Wirkungsgrad von 6 % und dienten zunächst der Stromversorgung von Satelliten und Raumfahrzeugen. Für andere Zwecke waren sie noch zu teuer und zu wenig leistungsfähig. Anfang der sechziger Jahre erreichte man dann einen Wirkungsgrad von etwa 10 %, der bis Anfang der siebziger Jahre auf 14 % gesteigert werden konnte. Der Ölpreisschock bewirkte dann, daß auch die Photovoltaik verstärkt in die Bemühungen um die Erschließung der erneuerbaren Energien einbezogen wurde. Seit 1974 wurden rund hundert Halbleitermaterialien auf ihre praktische Verwertbarkeit für die photovoltaische Stromerzeugung untersucht. Dabei erwies sich Silizium hinsichtlich seiner technischen Eigenschaften, Verfügbarkeit und unproblematischen Entsorgung als das mit Abstand bestgeeignete Material.

Silizium bildet mit einem Anteil von 27,5 % nach dem Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste. Es kommt in der Natur allerdings nicht in reiner Form vor, sondern muß erst in einem aufwendigen Verfahren aus Verbindungen wie Sand, Quarz, Quarzsand oder Bergkristall gewonnen werden. Je nachdem, wie das Silizium bei diesem Prozeß auskristallisiert, unterscheidet man zwischen monokristallinem, polykristallinem und amorphem Silizium. Am ergiebigsten ist das nach dem Czochralski-Verfahren "gezogene" monokristalline Silizium, das Wirkungsgrade von 12 bis 15 % ermöglicht, jedoch höchste Reinheit erfordert und in der Herstellung am teuersten ist. In jedem Falle unverzichtbar ist dieses Material für Transistoren, integrierte Schaltkreise und ähnlich anspruchsvolle Halbleiterzwecke. Für Solarzellen eignet sich dagegen auch das billigere polykristalline Silizium, das in Blöcken gegossen wird und mit dem sich Wirkungsgrade von 10 bis 13 % erzielen lassen. Noch billiger ist das amorphe Silizium, mit dem man gegenwärtig allerdings nur auf Wirkungsgrade um 7 % kommt, was den Preisvorteil relativiert.

Monokristalline und polykristalline Solarzellen haben in der Regel ein quadratisches Format von 10 cm Länge. Sie werden mit Spezialsägen von den gezogenen oder gegossenen Silizium-Blöcken abgesägt. Monokristalline Silizium-Solarzellen erkennt man an ihrer gleichmäßigen, glatten Oberfläche sowie den gebrochenen Ecken, die auf das Herstellungsverfahren zurückzuführen sind. Sie werden nämlich aus runden Scheiben mit 12,7 cm Durchmesser herausgesägt, die ihre runde Gestalt wiederum den nach dem Czochralski-Verfahren gezogenen Blöcken verdanken. Gelegentlich beläßt man sie auch in dieser runden Gestalt. Polykristalline Solarzellen sind dagegen so quadratisch wie die gegossenen Blöcke, aus denen sie herausgesägt werden. Sie haben eine unregelmäßige Oberfläche, auf der deutlich die Kristallite von einigen Millimetern bis einigen Zentimern Durchmesser zu sehen sind. Amorphes Silizium weist keine Kristallstruktur auf, sondern besteht aus ungeordneten Silizium-Atomen, die auf Glas oder ein anderes Substrat aufgedampft werden. Im Alltag begegnet es uns oft in Solarzellen für Taschenrechner oder Armbanduhren.

Die technisch mögliche Dicke dieser gesägten Scheiben, englisch auch "Wafers" genannt, betrug früher etwa 0,45 mm. Sie konnte aber in letzter Zeit auf 0,2 Millimeter und weniger verringert werden. Dies brachte einen Kostenvorteil, da sich damit aus demselben Silizium-Block weitaus mehr Scheiben herstellen lassen. Entscheidend für die abgegebene Stromstärke ist nämlich die Fläche der Solarzelle. Um den Energieaufwand und die Kosten für die Herstellung solcher Solarzellen zu senken, muß somit bei der Zelldicke angesetzt werden.