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Polykristallines Reinst-Silizium in Säulen von 10 x 10 cm |
Bevor die Solarzelle Strom liefern kann, sind aber noch etliche weitere Herstellungsschritte zu erledigen. Vor allem muß die zweite Dotierung erfolgen. Die Blöcke, aus denen die Scheiben herausgesägt wurden, sind nämlich bei ihrer Herstellung nur einfach dotiert worden. Hat dabei zum Beispiel eine p-Dotierung des Siliziums, etwa mit Bor stattgefunden, so muß jetzt noch für jede einzelne Scheibe die n-Dotierung erfolgen. Dies geht zum Beispiel so vor sich, daß man aus einem geeigneten Gas und bei hoher Temperatur Phosphor-Atome in die später der Sonne zugewandte Seite der Silizium-Scheibe eindringen ("diffundieren") läßt. Diese n-leitende Schicht muß extrem dünn sein, damit das Licht ungehindert bis zum pn-Übergang vordringen kann. In der Praxis ist sie gerade etwa 0,2 Tausendstel Millimeter dick. Das heißt, daß sie noch etwa hundertmal dünner ist als die bereits hauchdünne Silizium-Scheibe, die als Basismaterial dient.
Um die durch den Sperrschicht-Effekt entstehende Spannung von beiden Seiten der Solarzelle abgreifen zu können, müssen auf der Vorder- und Rückseite Metallkontakte aufgebracht werden. Auf der Vorderseite handelt es sich um ein Metallgitter. Dieses Gitter soll einerseits die optimale Ausnutzung der Oberfläche für die Stromgewinnung sicherstellen und andererseits so wenig wie möglich den Lichteinfall in die Solarzelle behindern. In der Regel besteht das Gitter aus zwei Reihen sogenannter Sammelschienen, die von "Kontaktfingern" zusammengefaßt werden. Auf der Rückseite kann der Metallkontakt dagegen ganzflächig ausgeführt werden.
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Montage eines Moduls für die Solarstrom-Dachanlage der Neuen Messe München: Auf einer Fläche von rund 38 100 Quadratmetern wurden insgesamt 7 812 Module mit einer Spitzenleistung von 1 Megawatt installiert. |
Um Verluste durch Reflexion des Lichts zu vermindern, werden die Solarzellen mit einer dünnen Schicht Titanoxid überzogen, die ihnen ihr charakteristisches blaues Aussehen verleiht. Ferner müssen die dünnen, spröden und zerbrechlichen Zellen gegen mechanische Erschütterungen und Witterungseinflüsse geschützt werden. Normalerweise baut man gleich mehrere Solarzellen in einem Gehäuse mit transparenter Abdeckung zu einem "Modul" (engl. panel) zusammen. Zur Erzielung höherer Spannungen werden dabei die einzelnen Zellen in Serie geschaltet. Um zuverlässig in eine 12 Volt-Batterie einspeisen zu können, muß ein solches Modul bis zu 40 polykristalline oder bis zu 30 monokristalline Zellen enthalten, was Spannungen von 20 bzw. 15 Volt entspricht. Die erhöhte Spannung ist deshalb erforderlich, weil mit nachlassender Helligkeit, aber auch mit zunehmender Erwärmung des Moduls, Spannung und Stromstärke absinken, und zwar bei polykristallinen Zellen stärker als bei monokristallinen.
Aufgrund der Wärmeempfindlichkeit der Solarzellen ist die Stromproduktion unter ansonsten gleichen Lichtverhältnissen an heißen Standorten schlechter als an kühlen. Standorte im Hochgebirge eignen sich deshalb besonders für Photovoltaik.
Aus den Modulen lassen sich wiederum Anlagen mit noch größeren Leistungen zusammenstellen. Dabei muß darauf geachtet werden, daß alle Solarzellen gleichmäßig dem Licht ausgesetzt sind. Fällt nämlich die Spannung eines Moduls ab, - beispielsweise weil es von einem Baum beschattet wird - , so speisen die anderen Solarzellen "rückwärts" in dieses Modul ein, was dessen Erwärmung, weiteren Leistungsabfall und möglicherweise sogar die Zerstörung bewirkt. Dieser Effekt kann durch Parallelschaltung einer "Bypaß-Diode" vermieden werden, die beim Leistungsabfall das Modul gleichsam überbrückt bzw. kurzschließt.
Auf grundsätzlich andere Weise erfolgen die Herstellung und der Zusammenbau von Solarzellen aus amorphem Silizium, die auch als "Dünnschicht-Zellen" bezeichnet werden. Das Ausgangsmaterial ist auch hier Silizium. Es wird jedoch nicht erst zu mono- oder polykristallinen Blöcken verarbeitet, sondern als dünne Schicht auf einen Glasträger aufgebracht, wobei nacheinander die p- und n-Dotierung durch Zumischen der Dotierstoffe erfolgt. Die Funktion der Sperrschicht zwischen den n- und p-Schichten wird hier von einer weniger als ein Tausendstel Millimeter dicken Schicht aus undotiert gebliebenem amorphem Silizium übernommen (nip-Schichtung).
Man begnügt sich auch nicht mit der Herstellung einer einzelnen amorphen Solarzelle, sondern erzeugt im selben Arbeitsgang auf dem Glasträger ein ganzes Modul von streifenförmig nebeneinanderliegenden Solarzellen, die in Serie geschaltet sind, um die Spannung zu erhöhen. Während Zellen aus mono- und polykristallinem Silizium nur 0,43 bzw. 0,5 Volt erreichen, haben Zellen aus amorphem Silizium eine Spannung von 0,8 Volt. Zeigt ein solches Modul 25 Zellenstreifen, so entspricht das also einer Spannung von etwa 20 Volt. Die spektrale Empfindlichkeit von Zellen aus amorphem Silizium liegt ziemlich genau im Bereich des sichtbaren Lichts, während kristalline Zellen im Infrarotbereich am empfindlichsten sind.
Eine interessante Variante der mono- und polykristallinen Solarzellen ist die MIS-Inversionsschicht-Solarzelle, die 1985 an der Universität Erlangen entdeckt und inzwischen zur Produktionsreife entwickelt wurde. Ausgangsmaterial ist p-dotiertes Silizium, das auf der Rückseite einen ganzflächigen Aluminium-Kontakt erhält und auf der sonnenzugewandten Seite mit einer dünnen Siliziumoxydschicht überzogen wird. Über die Oxydschicht wird ein Kontaktgitter aus Aluminium gelegt. Schließlich wird das Ganze mit einer durchsichtigen Schicht aus Siliziumnitrid abgedeckt. Bei Bestrahlung bildet sich oberhalb des Siliziumoxyds eine hohe Dichte positiver Ladungsträger, die im p-dotierten Silizium-Basismaterial sowohl eine Schicht hoher Elektronenkonzentration - die Inversionsschicht - als auch das zur Trennung der Ladungsträger notwendige innere elektrische Feld induziert. Diese als MIS-Kontakt (Metall - Isolator - Silizium) bezeichnete Schichtung ist zwar für Elektronen durchlässig, die zum oberen Aluminumgitter wandern, nicht aber für die "Löcher", die durch das Silizium zum Rückkontakt und von dort in den Stromkreis gelangen.
Die MIS-I-Zelle hat den Vorteil, daß für die Herstellung weniger Verfahrensschritte als bei konventionellen Solarzellen erforderlich sind. Zum Beispiel entfällt die zweite Dotierung. Außerdem läßt sie sich auch doppelseitig nutzen, wenn der ganzflächige Rückkontakt durch ein Aluminium-Kontaktgitter ersetzt und darüber eine Siliziumnitridschicht angebracht wird. In einer stark reflektierenden Umgebung (weiße Hauswand, Schnee) läßt sich so die elektrische Ausgangsleistung bis zur Hälfte erhöhen. Der Wirkungsgrad erreicht bei monokristallinem Silizium 15 % und bei polykristallinem 12 %. Er entspricht damit dem normaler kristalliner Solarzellen.