Solarzellentypen im Überblick

Durch neue technische Entwicklungen steigen die Wirkungsgrade von Solarzellen stetig an, während die Produktionskosten weiter sinken. 

Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um: Werden Photonen, also Lichtteilchen, in geeigneten Materialien absorbiert, entstehen positive und negative elektrische Ladungsträger, die zu den Elektroden der Solarzelle transportiert werden und so eine elektrische Spannung erzeugen.

Installierte Photovoltaikanlagen weltweit

Die Bedeutung der Photovoltaik für die Stromerzeugung steigt seit Jahren rasant bei gleichzeitig fallenden Kosten. Seit dem Jahr 2000 wuchs der Weltmarkt jedes Jahr um durchschnittlich 44 Prozent. Im gleichen Zeitraum fielen die Preise für Solarmodule um etwa 90 Prozent auf weniger als 50 Cent pro installiertem Watt. Ende 2014 summierte sich die installierte Leistung von Photovoltaikanlagen weltweit auf 183 Gigawatt, allein ein gutes Fünftel davon in Deutschland. Solarzellen auf Siliziumbasis halten derzeit einen Marktanteil von 92 Prozent mit Wirkungsgraden zwischen 21 und 26 Prozent.

Der Produktionsschwerpunkt mit knapp neunzig Prozent hat sich seit den 1990er-Jahren von Europa und den USA nach Asien, vor allem nach China und Taiwan verlagert. In Europa wurden 2014 sechs Prozent, in den USA und Japan jeweils vier Prozent gefertigt. Dennoch nehmen deutsche Forschungsinstitute weiterhin eine globale Spitzenposition bei der Entwicklung leistungsfähigerer Solarzellen und neuer Zellkonzepte sowie bei der Optimierung der Modulproduktion ein. So hält etwa das Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme in Freiburg mit 46 Prozent den Wirkungsgradweltrekord mit einer Vierfachsolarzelle aus Verbindungshalbleitern.

Wirkungsgrade von Solarzellen

Neben dem für die Massenproduktion von Solarmodulen mit Abstand wichtigstem Werkstoff – Silizium – eignen sich Verbindungshalbleiter wie Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid und Galliumarsenid, eine Reihe organischer Verbindungen oder auch bleihaltige Perowskitkristalle für die photovoltaische Umwandlung von Energie. Diese Vielfalt eröffnet neben starren Zellen für Solarparks weitere Anwendungen wie etwa flexible, in Kleidung integrierte Stromerzeuger sowie günstig gedruckte oder transparente Solarmodule in Fensterflächen.

Kristalline Siliziumsolarzellen

Die Dominanz von Siliziumsolarzellen ist kein Zufall. Gebunden in Siliziumdioxid – etwa in Form von Sand oder Quarz – oder in silikatischen Schmelzen ist es das häufigste Element in der Erdkruste, weltweit verfügbar und relativ günstig. Dank der Computerindustrie ist die Aufbereitung reinen Siliziums weit entwickelt, sodass die Solarzellhersteller früh auf dieses Material in großen Mengen zurückgreifen konnten. Vielschichtige Solarzellen, die unter anderem eine speziell strukturierte Siliziumschicht enthalten, um Licht besser zu absorbieren, nutzen für die Stromerzeugung einen breiten Teil des Sonnenspektrums zwischen 380 und 1150 Nanometer.

Monokristallines Silizium

Die derzeit besten Zellen bestehen aus monokristallinem Silizium und erreichen im Labor einen Wirkungsgrad von 25,6 Prozent, im Modul der Solarzelle integriert 22,9 Prozent. Um diese relativ hohen Werte zu erreichen, wurde in den vergangenen Jahren die  Zellfertigung verbessert. So wird die Rückseite einer Siliziumsolarzelle mit einem dielektrischen Material wie beispielsweise Aluminiumoxid geschützt. Diese Schicht behindert effizient die unerwünschte Rekombination von positiven und negativen elektrischen Ladungsträgern in der Solarzelle. An der Vorderseite steigern gitterartige, mit Phosphor dotierte Metallelektroden den Wirkungsgrad, da die erzeugten Elektronen wegen eines geringeren Widerstands an der Grenzfläche zum Silizium besser abfließen können. In der Fertigung etabliert sich die Kontaktierung der Vorderseite mit Elektroden, die von der Rückseite durch die Zelle geführt werden. Dadurch schirmen die Elektroden weniger Zellfläche vor dem Sonnenlicht ab und die Stromausbeute pro Fläche wird erhöht.

Polykristallines Silizium

Über die Hälfte der heute produzierten Siliziumsolarzellen nutzen allerdings polykristallines Silizium. Dieses ist deutlich günstiger herzustellen, sodass der geringere Wirkungsgrad von derzeit maximal 20,8 Prozent beziehungsweise 18,5 Prozent im Modul in Kauf genommen wird.

Die fallenden Kosten sind nicht nur der ausgereiften Massenfertigung zu verdanken. Auch der Materialeinsatz an reinem mono- oder polykristallinem Silizium hat sich mehr als halbiert. So ist heute die Siliziumschicht nur noch 180 Mikrometer dick statt 400 Mikrometer im Jahr 1990 und 300 Mikrometer 2004. Weitere Kostensenkungen der Siliziumsolarzellen können bei der Optimierung der Produktion erwartet werden, deutliche Steigerungen im Wirkungsgrad eher nicht. Der theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad für Silizium liegt bei 29 Prozent, da das Material langwellige Photonen im Sonnenlicht nicht absorbiert.

Dünnschichtsolarzellen

In Dünnschichtsolarzellen sind die photovoltaisch aktiven Lagen nur wenige Mikrometer dick. Sie lassen sich im Unterschied zu kristallinem Silizium auf eine Vielzahl von Trägermaterialien – etwa Metall, Glas oder Kunststoff – auftragen. Für eine möglichst günstige Massenfertigung sind prinzipiell sogar Druckverfahren möglich. Dank stetiger Entwicklung haben sich Dünnschichtsolarzellen 2014 einen Anteil am Weltmarkt von neun Prozent sichern können.

Flexible Dünnschichtzellen

Die wichtigsten Halbleitermaterialien für Dünnschichtsolarzellen sind Cadmiumtellurid und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid. Damit werden Wirkungsgrade von über zwanzig Prozent erreicht, die etwa denen von Zellen aus polykristallinem Silizium entsprechen. Den Rekord von 20,8 Prozent hält derzeit das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung in Baden-Württemberg mit Dünnschichtsolarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid. Im Unterschied zu Siliziumzellen verringert sich die Stromausbeute bei hohen Temperaturen nicht und zudem wandeln Dünnschichtsolarzellen auch diffuses Sonnenlicht, das in der Erdatmosphäre an Staubteilchen oder Wassertröpfchen gestreut wird, effizient in Strom um. Zusätzlich erweitert ihr geringeres Gewicht die Installationsmöglichkeiten.

Dünnschichtsolarzellen können auch aus amorphem, nicht kristallinem Silizium günstig gefertigt werden. Doch enttäuscht für diese Zellen der Wirkungsgrad von derzeit gut zehn Prozent. Insgesamt wird der Dünnschichttechnologie noch ein großes Optimierungspotenzial – sowohl bei den Wirkungsgraden als auch bei einer Kostensenkung in der Produktion – zugeschrieben.

Konzentratorzellen

Vorgesetzte Linsen mit Lupeneffekt können das Sonnenlicht einer größeren Fläche bis auf die tausendfache Intensität bündeln. Im Fokus dieser Linsen kommen spezielle, oft mehrstufige Solarzellen zum Einsatz, die derzeit die besten Wirkungsgrade überhaupt erzielen. Erprobt wurden bisher Stapel von zwei, drei oder vier verschiedenen Solarzellen übereinander. In den Zellen werden Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid oder Galliumindiumphosphid genutzt. Ziel dieser Stapel ist es, möglichst das komplette Spektrum des Sonnenlichts für die photovoltaische Stromerzeugung nutzen zu können. Jede einzelne der gestapelten Zellen deckt dabei einen anderen Bereich des Sonnenspektrums ab.

Rekordsolarzelle

Die besten Kombinationen aus Konzentratorlinsen und Stapelzellen entstehen seit Jahren am Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme in Freiburg. Mit einer 508-fachen Konzentration des Sonnenlichts hält das Institut mit einer Vierfachzelle den Weltrekord von 46 Prozent Wirkungsgrad. Jede der vier Teilzellen nutzt dabei ein Viertel der Lichtteilchen in einem breiten Spektrum von 200 bis 1750 Nanometern.

Für die Massenfertigung sind diese Zelltypen allerdings sowohl von den Material- als auch von den Produktionskosten zu teuer, um mit kristallinem Silizium konkurrieren zu können. Doch für Anwendungsnischen wie etwa für die Stromversorgung von Satelliten und für Regionen mit starker direkter Sonneneinstrahlung haben sie ein großes Potenzial.

Organische Solarzellen

Organische Solarzellen nutzen keine herkömmlichen Halbleiterkristalle, sondern spezielle Kohlenwasserstoffverbindungen, die Forschungsgegenstand der organischen Chemie sind. Diese Solarzellen befinden sich noch im Entwicklungsstadium, haben aber ein großes Anwendungspotenzial, etwa in Kleidung oder – in einer durchsichtigen Variante – großflächig in Fensterscheiben integriert. Die photovoltaisch aktiven Schichten können sehr dünn auf flexiblen Kunststofffolien aufgetragen werden. Eine günstige Massenproduktion in Rolldruckverfahren wird angestrebt.

Als organische Halbleiter werden leitfähige Molekülketten und kleine Moleküle wie etwa Kupfer-Phthalocyanin genutzt. Meistens werden davon zwei verschiedene Varianten eingesetzt: eine Schicht als Akzeptor, die Elektronen aufnimmt, und eine als Donator, die Elektronen freisetzt. An ihrer Grenzschicht können sich nach Einfall der Lichtteilchen die positiven und negativen elektrischen Ladungsträger bilden und zu den Elektroden transportiert werden.

Mit der Vielzahl der getesteten organischen Halbleiter stieg in den vergangenen Jahren der Wirkungsgrad organischer Solarzellen auf bis zu elf Prozent. Damit können sie noch nicht mit Solarzellen aus Silizium konkurrieren, doch weitere Steigerungen werden erwartet. Parallel werden Fertigungsverfahren entwickelt, um die organischen Halbleiter in einer Zelle gut vor Luft und zersetzender Feuchtigkeit abzuschirmen. Die Entwicklung organischer Solarzellen profitiert von den bereits marktreifen organischen Leuchtdioden, da ähnliche Halbleitersubstanzen in den Modulen genutzt werden.

Farbstoffsolarzellen

Farbstoffsolarzellen

Günstige Herstellung, geringe Umweltbelastung und eine Stromproduktion selbst bei diffusem Licht: Diese Vorteile bieten Farbstoffsolarzellen, die erstmals 1992 von Michael Grätzel von der Technischen Hochschule in Lausanne patentiert wurden und daher auch Grätzelzellen genannt werden. Für die Stromerzeugung sind teils komplexe Farbstoffmoleküle verantwortlich, die beispielsweise das Metall Ruthenium enthalten oder aus sogenannten Porphyrinen – einer Gruppe organischer Moleküle – aufgebaut werden.

Die größte Hürde vor einer potenziell sehr günstigen Massenproduktion mit Druckverfahren ist die mangelnde Langzeitstabilität der Farbstoffe. An der Verbesserung wird weltweit geforscht, da dieser Zelltypus theoretisch relativ hohe Wirkungsgrade von etwa dreißig Prozent erreichen kann. Die besten Farbstoffsolarzellen erreichen derzeit einen Wirkungsgrad von 11,9 Prozent, entwickelt vom japanischen Technologieunternehmen Sharp.

Perowskitsolarzellen

Die größte Dynamik in der Photovoltaikforschung ist derzeit bei sogenannten Perowskitsolarzellen zu beobachten. Erst 2009 wurde eine erste Perowskitsolarzelle von der Arbeitsgruppe um Tsutomu Miyasaka an der Universität Tokio mit einem Wirkungsgrad von nur knapp vier Prozent gefertigt. Bis 2014 ließ sich der Wirkungsgrad auf 20,1 Prozent mit einer Zelle des koreanischen Forschungsinstituts für chemische Technologie in Daejeon vervielfachen. Kein anderes Material für Solarzellen zeigte bisher eine vergleichbar schnelle Entwicklung.

Perowskitkristalle können in bis zu einem Mikrometer dünnen Schichten über die Abscheidung aus der Gasphase oder auch mit günstigen Druckverfahren auf eine Unterlage aufgetragen werden. Sie gelten als eine Variante der Dünnschichtsolarzellen, werden aber auch teilweise zur Gruppe der Farbstoffsolarzellen gezählt. Die Namensgebung selbst ist etwas irreführend. Perowskit ist eigentlich eine Kristallvariante aus Kalziumtitanat. Die Perowskitkristalle in den Solarzellen bestehen dagegen aus Methylammoniumbleiiodid oder ähnlichen sogenannten Bleihaliden. Doch haben diese metallorganischen Substanzen die gleiche Kristallstruktur wie Kalziumtitanat, die als Perowskitstruktur bezeichnet wird.

Solarfassade

Perowskite können Photonen über einen weiten Bereich des Sonnenspektrums absorbieren und dabei die gewünschten Ladungsträger erzeugen. Letztere fließen schnell über geeignete Transporterschichten ab, die die Perowskitlage wie ein Sandwich umschließen. Die schnelle Trennung und das Abfließen der Ladungsträger könnte ein Grund für den überraschend hohen Wirkungsgrad sein. Denn je schneller sich positive und negative Ladungsträger voneinander trennen, desto geringer ist das Risiko einer Rekombination, die in anderen Zelltypen die Stromausbeute signifikant verringert.

Vollständig verstanden sind die physikalischen Prozesse in Perowskitsolarzellen noch nicht, sie werden aber intensiv erforscht. Weltweit experimentieren Wissenschaftler in ihren Laboren mit Perowskitkristallen unterschiedlicher Größe und Zusammensetzung, um die Stromausbeute noch weiter zu steigern. Neben dem rasant ansteigenden Wirkungsgrad sind die geringen Materialkosten für die bleihaltigen Perowskite verlockend. Auch die Fertigung von Perowskitsolarzellen könnte deutlich günstiger erfolgen als mit kristallinem Silizium. Parallel forscht man an Alternativen zu den bisher bleihaltigen und damit giftigen Perowskiten.

In den kommenden Jahren sind noch viele weitere Fortschritte zu erwarten. Dennoch plant das australische Solarunternehmen Dyesol bereits für 2016 eine erste Pilotproduktion von Perowskitsolarzellen in der Türkei. Das Problem der mangelnden Langzeitstabilität will die Firma mit einer ausgeklügelten Versiegelungstechnik in den Griff bekommen. Sollten günstig gefertigte Perowskitsolarzellen mit Installationskosten von unter 40 Cent pro Watt tatsächlich zwanzig Jahre lang ohne nennenswerte Wirkungsgradverluste elektrischen Strom produzieren können, endet womöglich die heutige Dominanz von kristallinen Siliziumsolarzellen.