Für die Herstellung von Solarzellen kommen viele Halbleiterwerkstoffe in Frage. Der am Häufigsten verwendete ist jedoch das Silizium (Si), daher werde ich mich in diesem Artikel zur “Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen” rein auf diesen Werkstoff konzentrieren.
Zu Beginn sei gesagt, dass Silizium (Si) nach Sauerstoff (O) das zweithäufigste Element in der Erdkruste ist und vorwiegend in Quarzsand (SiO2) vorkommt. Dies ist mit ein Grund, warum in erster Linie die Herstellung von Siliziummodulen forciert werden sollte.
Für die Verwendung als Solarzelle kommt der Rohstoff Silizium bloß in elementarer Form in Frage. Dies erfordert allerdings Reduktionsprozesse und Reinigungsschritte in Zusammenhang mit hohen Temperaturen, um dieses für die Weiterverarbeitung relevante Ausgangsmaterial zu erhalten.
Reduktionsschritte
Als ersten Reduktionsschritt stehen zwei Arten zur Verfügung. Entweder reduziert man bei 1.800 °C Quarzsand mit Kohlenstoff, um elementares Silizium und Kohlenstoffmonoxid zu erhalten, oder man wendet die aluminothermische Reduktion an. Bei dieser Reduktion wird eine Reaktion zwischen Quarzsand und Aluminium hervorgerufen, um Silizium und Aluminiumoxid zu erhalten. Dieser Reduktionsschritt benötigt eine Temperatur von 1.100 – 1.200 °C.
SiO2 + 2 C → Si + 2 CO
3 SiO2 + 4 Al → 2 Al2O3 + 3 Si
Das Produkt dieser Vorgänge ist metallurgisches Silizium (MG-Si) mit einer Reinheit von 98 %. Zum Vergleich, die Computerindustrie verwendet “electronic grade” Silizium (EG-Si), das einen maximalen Verunreinigungsgrad von 10-10 % aufweisen darf. An das “solar grade” Silizium (SOG-Si) für die Herstellung von Solarzellen werden zwar nicht so hohe Ansprüche gestellt, dennoch sind noch weitere Reinigungsschritte erforderlich.
Reinigungsschritte
Als erster Reinigungsschritt kommt der Silan-Prozess zur Anwendung. Beim Silan-Prozess wird das Silizium mit Chlorwasserstoff (HCl), umgangssprachlich auch als Salzsäure bezeichnet, versetzt. Dadurch entsteht eine exotherme Reaktion – es entwickelt sich Hitze – und Trichlorsilan (SiHCl3) und Wasserstoff (H2) entstehen.
Si + 3 HCl → SiHCl3 + H2
Das bei diesem Reinigungsschritt entstandene Trichlorsilan ist bei 30 °C flüssig und wird über eine Destillationsanlage von Verunreinigungen getrennt. Beim dafür angewendeten Chemical-Vapor-Deposition (CVD)-Prinzip wird das Trichlorsilan bei Temperaturen von 1.350 °C in ein Reaktorgefäß geführt. Das mit hochreinem Wasserstoff ins Reaktorglas geleitete Trichlorsilan wird an einem Siliziumstab im Reaktorgefäß abgeschieden.
4 SiHCl3 + 2 H2 → 3 Si + SiCl4 + 8 HCl
hochreiner Siliziumstab
Der hochreine Siliziumstab als Endprodukt dieses Reinigungsschrittes kann nun für die Herstellung von polykristallinen Solarzellen verwendet werden. Zur Steigerung des Wirkungsgrades empfiehlt es sich, monokristallines Silizium herzustellen. Der Unterschied zwischen poly- und monokristallinem Silizium ist die Ausrichtung der Kristalle. Beim polykristallinen Silizium sind die Kristalle unterschiedlich ausgerichtet, wodurch sogenannte Korngrenzen entstehen, an denen bei der Solarzelle Verluste auftreten können. Um monokristallines Silizium zu erhalten wendet man weitere Verfahren an. Gängig hierfür sind zum Beispiel das Tiegelziehverfahren nach Czochralski oder das Zonenziehverfahren. Für beide gilt grundsätzlich folgende Vorgehensweise: Durch “Impfen” mit einem Einkristall und starkem Erhitzen wird aus dem polykristallinen Ausgangsmaterial das gewünschte monokristalline Silizium, wodurch die Korngrenzen verschwinden und die Verluste innerhalb der Zelle abnehmen.
Durch das erneute Erhitzen des Siliziums entsteht ein weiterer energetischer Aufwand, es sei also dazugesagt, dass zwar der Wirkungsgrad der Zelle steigt, der Aufwand bei der Produktion aber dementsprechend auch höher ist. In gewissem Maße gleichen sich Vor- und Nachteile dadurch aus. Ich will damit aber nicht sagen, dass sich die Installation von monokristallinen Solarmodulen nicht auszahlt, sondern lediglich feststellen, dass ein wichtiger Beweggrund für die Wahl der Module der gegebene Platzbedarf sein soll. Sowohl in Füllersdorf, als auch in Großmugl haben wir polykristalline Solarzellen verbaut, da auf beiden Dächern ohnehin ausreichend Platz für die Anlagen war.
Um den kristallinen Siliziumstab weiterverarbeiten zu können, muss er geschnitten werden. Hierfür werden Innenloch- oder Drahtsägen verwendet, um die 200 – 500 µm dünnen Siliziumscheiben zu erhalten, die in weiterer Folge als Wafer bezeichnet werden. Beim Prozess des Schneidens gibt es einen Zerspannungsverlust von 30 – 50 %, was bedeutet, dass zwischen 30 und 50 % des auf diese energieintensive und aufwendige Weise hergestellten kristallinen Siliziums durch das Schneiden als Abfall verloren gehen.
Dotieren und aufbringen der Kontakte
Nach dem Schneiden erfolgen einige Schritte zum Reinigen und Dotieren der Siliziumrohscheiben. Gleich zu Beginn werden Sägeschäden mit Flusssäure (HF) entfernt. Das Dotieren des Siliziums erfolgt, wie im Artikel “Wie funktioniert Photovoltaik?” bereits erklärt, über die Zugabe von Fremdatomen, um den pn-Übergang zu schaffen. Auf einem Trägergas wie Stickstoff (N2) oder Sauerstoff (O2) werden die gasförmigen Dotierungsstoffe bei einer Temperatur zwischen 800 und 1200 °C auf die Siliziumscheiben aufgebracht. Durch Ätzen wird der Halbleiter nach dem Dotierungsschritt nochmals gereinigt.
Nach dem Reinigen werden die Front- und Rückseitenkontakte angebracht. Das verwendete Verfahren nennt sich Siebdruckverfahren. Die angebrachten Kontakte sind Metalle oder Legierungen auf der Basis von Aluminium (Al) oder Silber (Ag). Um auf der Vorderseite der Solarzelle die Beschattung des Siliziums und die Reflexion durch das Metall so gering wie möglich zu halten, werden die Kontakte in Form von dünnen Kontaktfingern angebracht.
Metallisches Silizium neigt besonders stark zu reflektieren, weshalb eine Antireflexionsschicht auf der Solarzelle erforderlich ist. Der Werkstoff, der heute haupftsächlich verwendet wird ist Titaniumdioxid (TiO2). Dieser verleiht den Solarzellen ihr bläuliches Aussehen. Technisch ist es aber auch schon möglich, Antireflexionsschichten aus anderen Werkstoffen aufzubringen, die der Solarzelle eine andere Farbe verleihen. Die Forschung in diesem Bereich dient eher dem Zweck, die Solarzellen ästhetisch ansprechender zu machen und besser in bestehende Gebäudeelemente zu integrieren.
Weitere Entwicklungen und Innovationen
Um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu steigern, wird zurzeit an vielen verschiedenen Methoden und Materialien geforscht. Ein großer Zweig dieser Forschungen behandelt zum Beispiel das Ausgangsmaterial für Solarzellen, eine Mischung aus mehreren Elementen, um einen Halbleiter mit größerem Gap (siehe Artikel “Wie funktioniert Photovoltaik?“) zu erhalten. Dadurch können vorallem die energiereicheren Photonen zur Stromerzeugung genutzt werden. Diese Mischungen und Kombinationen aus Elementen und die daraus entwickelten und erzeugten Solarzellen finden ihren Einsatz jedoch fast ausschließlich in der Raumfahrt, da sowohl die Entwicklung, als auch die Produktion sehr kostspielig und energieaufwendig sind.
Eine weitere Methode zur Steigerung des Wirkungsgrades ist das Versenken der Kontaktfinger, um eine Reflexion an den metallischen Leitern zu minimieren. Außerdem gibt es Versuche, die Solarzellen pyramidenförmig aufzubauen, um mehr Oberfläche für den Aufprall der Photonen zu schaffen.
Die einzelnen Solarzellen sind sehr anfällig auf klimatische Einflüsse und würden sehr schnell dadurch zerstört. Um dies zu verhindern werden mehrere Solarzellen in so genannten Solarmodulen zusammengefasst. Die Oberseite der Solarmodule bildet in den meisten Fällen eine eisenarme Glasscheibe, auf der Unterseite wird oftmals ebenfalls Glas oder auch Kunststoff angebracht. Dazwischen werden die Zellen mit einem Kunststoff, meist EVA (Ethylen-Vinyl-Acetat), eingebunden, laminiert, der bei 100 °C und Unterdruck aushärtet. Die Fertigen Module werden dann noch eingerahmt und mit Anschlussdosen versehen.
Im Prinzip hat man nun die Module geschaffen, die man, in Serie gehängt, auf die Dächer, Nachführanlagen etc. schraubt und an den Wechselrichter schließt.
Mit diesem Artikel ist vorerst die gängigste Art der Modulherstellung erklärt und klargestellt, wie energieaufwendig und -intensiv diese Technik ist. Etwas sparsamer in der Produkion, aber mit dem Nachteil eines geringeren Wirkungsgrades gibt es die Dünnschichtzellen, diese werde ich jedoch in einem eigenen Artikel erklären.
Als Quelle für diesen Artikel diente mir ein Auszug von
ERNEUERBARE ENERGIEN UND KLIMASCHUTZ: HINTERGRÜNDE – TECHNIKEN – ANLAGENPLANUNG – WIRTSCHAFTLICHKEIT VONVOLKER QUASCHNING
Ich freue mich schon auf eventuelle Fragen oder eine Diskussion zu diesem Artikel. Wenn dir eventuelle Fehler (sowohl inhaltlich als auch die Rechtschreibung betreffend) auffallen, bitte ich dich, mir das mitzuteilen, damit ich diesen Artikel noch einmal überarbeiten kann.
Mit freundlichen Grüßen
Jürgen Summerer und das Team von Energiebündel Weinviertel
Es ist hochinteressant zu lesen, wie Silizium bei der Herstellung von Solarzellen verwendet wird. Ich habe mir letztes Jahr selbst eine Solaranlage einbauen lassen. Aber genauer nachgefragt, wie diese im einzelnen aufgebaut ist und hergestellt wurde, habe ich bis jetzt noch nicht.