Photovoltaikprinzip

Photovoltaik – Elektrische Energie aus Sonnenlicht

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Dies ist heute noch der teuerste Weg, elektrische Energie auf der Basis erneuerbarer Energiequellen bereitzustellen. Immer noch ist ihr Beitrag zur weltweiten Energieversorgung gering. Auf der anderen Seite hat die direkte Sonnenenergiekonversion über Solarzellen, verglichen mit Wasserkraft, Windenergiekonversion und solarthermischer Stromerzeugung, bei weitem das höchste technische Entwicklungspotential.

Das Prinzip

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Werden Photonen, also Lichtteilchen, in geeigneten Materialien absorbiert, so entstehen positive und negative elektrische Ladungsträger, die sich innerhalb dieser Materialien nahezu frei bewegen können; die Energie der Photonen wird dabei zu einem wesentlichen Teil auf diese Ladungsträger übertragen. In photovoltaischen Energiekonvertern werden diese Ladungsträger selektiv, nach positiven und negativen Ladungen getrennt, zu äußeren Elektroden transportiert und diese dadurch elektrisch geladen. Deshalb entsteht zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Spannung. Aufgrund dieser Spannung können die Ladungsträger in einem externen Stromkreis einen elektrischen Strom erzeugen und Arbeit verrichten. Die entsprechende Energie ist umgewandelte Sonnenenergie.

Für eine effiziente technische Umsetzung dieses Prinzips müssen vor allem drei Punkte beachtet werden. Zum einen muss der Transport der energetisch angeregten Ladungsträger zu den Elektroden schnell erfolgen, weil in den Absorbermaterialien auch Prozesse ablaufen, bei denen die durch Lichtabsorption erzeugten freien Ladungsträger wieder vernichtet werden. Ihre Energie wird bei diesen Rekombinationsprozessen im Wesentlichen in unerwünschte Wärme umgewandelt. Zum anderen muss dafür gesorgt werden, dass die Energiekonverter das breite Solarspektrum mit Photonenenergien, die sich um einen Faktor 8 unterscheiden, wirksam umsetzten. Nicht zuletzt kommt es darauf an, die entsprechenden Energiekonverter kosteneffektiv herzustellen. Dies ist vor allem deshalb wichtig, weil die Solarenergiekonversion wegen der vergleichsweise geringen Strahlungsdichte der Sonne auf der Erde stets eine großflächige Technologie sein wird. Im günstigsten Falle beträgt die Strahlungsenergie pro Zeit und Fläche, die von der Sonne auf der Erde ankommt, 1000 Watt pro Quadratmeter (W/m²). Mit dem Wirkungsgrad der besten photovoltaischen Energiekonverter können damit heute 15 W/m² elektrischer Leistung erzeugt werden. Der spezifische Gesamtenergieverbrauch beträgt in industriellen Ballungszentren in Deutschland etwa 1 W/m².

Photovoltaik heute

Die derzeit eingesetzten photovoltaischen Energiekonverter, die Solarzellen, werden zu mehr als 80 Prozent aus kristallinem Silizium hergestellt. Von solchen Zellen (s. Bild) wurden 1999 weltweit gut 100 Millionen Stück hergestellt und in Modulen gekapselt für Energieversorgungszwecke eingesetzt. Silizium wird vor allem aus folgenden Gründen als Material verwendet:

  1. Es steht über die Elektroniktechnologie in hinreichender Reinheit zur Verfügung; eine hohe Reinheit ist wichtig, weil sich nur so die oben erwähnten schädlichen Rekombinationsprozesse weitgehend vermeiden lassen.
  2. Silizium wird aus Quarz gewonnen und steht prinzipiell in unbegrenztem Umfang zur Verfügung; das Recycling von Siliziumsolarzellen wird keine größeren Probleme aufwerfen.
  3. Siliziumsolarzellen zeigen bei der Energiekonversion relativ hohe Wirkungsgrade: Industriell gefertigte Siliziumsolarzellen wandeln bis zu 16 Prozent der Energie der einfallenden Strahlung in elektrische Energie um, im Labor gefertigte Solarzellen sogar bis 24 Prozent. Und sie haben Lebensdauern von mehr als 20 Jahren.
Grafik, Schichtquerschnitt: Auf dünner grauer Fläche, dem Rückseiten-Kontakt, ein sechsmal dickerer grüner Block, die p-Basis. Darauf wieder dünne, hellgrüne Schicht, die n-Emitter. An zwei Stellen ragt die hellgrüne Schicht durch die darüberliegende, noch dünnere, graue Passivierung, darauf jeweils ein grauer Frontkontakt. Um die Frontkontakte rundherum eine hellgelbe Antireflexschicht.
Struktur einer einfachen Siliziumsolarzelle, oben Licht absorbierend

Elektrische Energie aus Solarzellen ist heute in vielen Anwendungen kosteneffektiv, in denen nicht mit Strom aus Verbundnetzen konkurriert werden muss, z. B. bei der Stromversorgung von Telekommunikationsanlagen, von Sensoren und Signalen, von solar home systems und Wasserpumpen. Für eine Stromversorgung in großem Maßstab ist der Strom aus Sonnenlicht in den Industrieländern betriebswirtschaftlich noch nicht konkurrenzfähig. Diese Situation wird sich voraussichtlich auf drei Wegen ändern lassen: über die Massenproduktion, über physikalisch-technologische Innovationen und durch die Berücksichtigung externer Kosten im Energiepreisgefüge.

Kostendegression durch physikalisch-technologische Innovationen

Neben allen oben genannten Vorteilen haben die aus Siliziumscheiben hergestellten Solarzellen auch zwei Nachteile: Die Modultechnik ist durch die notwendige elektrische Serienverschaltung der Scheiben (Wafer) aufwendig, und – fundamentaler – Silizium absorbiert Licht nicht sehr effektiv. Dies macht dicke Wafer nötig und damit einen hohen Materialaufwand. Eine wesentliche, kostenreduzierende Innovation können hier Dünnschichtsolarzellen sein. Bei diesen Systemen wird die lichtabsorbierende Schicht großflächig auf kostengünstigen Substraten abgeschieden. Die verwendeten Absorbermaterialien bestehen entweder aus Halbleitern, die besser absorbieren als kristallines Silizium, oder aus Silizium, wobei der Absorptionsweg durch Lichteinfang in den Schichten optisch verlängert wird.

Es ist ein generelles Ziel der Solartechnologie, Solarzellen mit möglichst hohen Wirkungsgraden – bei vertretbaren Produktionskosten – zu entwickeln. Vielversprechend sind hier vor allem Tandemstrukturen, bei denen mehrere Solarzellen monolithisch übereinander gestapelt werden. Dies hat den Vorteil, dass verschiedene Spektralbereiche des Sonnenlichts, getrennt von einander, optimiert in elektrische Energie umgewandelt werden können. Solche Tandemsolarzellen werden bereits heute in Raumfahrzeugen und Satelliten eingesetzt. Für terrestrische Anwendungen bietet sich in Zukunft vor allem an, diese Halbleiterstrukturen mit großflächigen optischen Konzentratoren wie Linsen oder Spiegeln zu kombinieren. Konversionswirkungsgrade von über 40 Prozent müssten sich in der Praxis realisieren lassen. Dabei sind nicht nur Innovationen im Halbleiterbereich, sondern auch im Bereich der Leistungsoptik gefragt, da kleinflächige komplexe Tandemsolarzellen mit großflächigen, hocheffizienten und kostengünstigen optischen Strukturen kombiniert werden müssen.

Solarzellen und die zukünftige Energieversorgung

Photovoltaik ist heute noch der teuerste Weg, elektrische Energie auf der Basis erneuerbarer Energiequellen bereitzustellen. Immer noch ist ihr Beitrag zur weltweiten Energieversorgung gering. Im Jahr 1999 hat die Weltproduktion von Solarmodulen gerade die Marke von 200 Megawatt (MW) nomineller Leistung überschritten - dies allerdings bei einem stabilen Wachstum von jährlich über 20 Prozent. Auf der anderen Seite hat die direkte Sonnenenergiekonversion über Solarzellen, verglichen mit Wasserkraft, Windenergiekonversion und solarthermischer Stromerzeugung, bei weitem das höchste technische Entwicklungspotential. Sollten wir also in Zukunft eine Energieversorgung benötigen, die stark auf erneuerbaren Quellen beruht, wird mit Sicherheit die Photovoltaik eine entscheidende Rolle spielen. Die Geschwindigkeit ihrer Einführung in großem Stil wird dabei ganz entscheidend von Innovationsschüben aus Physik und Technologie beeinflusst werden.