Solarzellen

S. sind Halbleiterbauelemente, die Licht (Globalstrahlung) direkt in elektrischen Strom umwandeln können (photo-voltaischer Effekt, daher auch der Name Photovoltaik).

I.d.R. dient Silizium als Grundmaterial. Man unterscheidet zwischen mono- und polykristallinen Siliziumzellen, amorphen Siliziumzellen und Dünnschichtzellen. Zum letzteren Zellentyp gehören Solarzellen, die nicht aus kristallinem Silizium hergestellt werden und sehr dünn sind. Wird die Solarzelle beleuchtet, steht an den elektrischen Anschlüssen eine Gleichspannung von etwa 0,5 Volt zur Verfügung. Der Strom und damit auch die Leistung, die entnommen werden kann, hängen von der Intensität der Sonneneinstrahlung und der Zellenfläche, d.h. der Größe der Empfängerfläche, ab. S. werden zu Solarmodulen zusammengeschaltet und mit weiteren Komponenten als Photovoltaik-Anlage zur Stromerzeugung genutzt.

Details:
Monokristalline S. aus industrieller Fertigung wandeln heute etwa 16 bis 18% (Labor: 20-25%) des auftreffenden Sonnenlichts in elektrischen Strom um. Polykristalline S. weisen etwas schlechtere Wirkungsgrade auf. Das Verfahren der amorphen Zellen geht mit dem Basismaterial Silizium -da es nur als dünne Schicht aufgedampft wird- sehr sparsam um und vermeidet von vornherein die (energie-) aufwendigen und teuren Schritte der Kristallherstellung und des Zersägens in einzelne Scheiben wie bei den kristallinen S.. Amorphe Silizium-S. sind daher preiswerter herzustellen und als Dünnschichtzellen flexibler einsetzbar, haben allerdings nur einen Wirkungsgrad von 5-8% (Labor 13%).
Es gibt auch noch eine Reihe anderer Stoffe, die halbleitende Eigenschaften besitzen und geeignet sind, Licht in Strom umzuwandeln. Favorisiert werden heute unter anderem Dünnschichtzellen aus Cadmiumsulfid (CdS) bzw. Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Selenid (CuInSe2), deren Marktanteil heute bei ca. 5% liegt. Die Dünnschichttechnologie ist aufgrund des sparsamen Material- und Energieeinsatzes und der geringeren Produktionskosten (im Vergleich zu Siliziumzellen) ein Verfahren, das zukünftig einen höheren Marktanteil erwerben kann. In den Halbleiterschichten kommen jedoch in geringen Konzentrationen u. a. die Elemente Cadmium, Selen, Tellur und Kupfer (Cd, Se, Te, Cu) vor, die toxisch sein können. Somit sollten die möglichen Risiken für Umwelt und Gesundheit während der Produktion, des Betriebes und der Entsorgung dieser Module beachtet werden.
Silizium-S. bewirken am Einsatzort keine Belastung der Umwelt. Ausnahmen sind Cadmium-Tellurid-S., die bei Bränden Cadmium emittieren können. Es dauert allerdings einige Jahre bis die zur Herstellung von Silizium-S. benötigt Energie amortisiert ist (Photovoltaik-Anlagen).
In der Entwicklung stecken noch weitere Konzepte, wie z.B. die "High-Voltage-Zelle", welche eine Spannung von 2,8V bzw. 8V bei einem Wirkungsgrad von 10,2% bzw. 8,3% abgibt.
Für den Einsatz zur Stromerzeugung im Kraftwerksmaßstab sind S. auch in sonnenreichen Regionen derzeit noch erheblich zu teuer. Preiswerter sind nicht nur fossil gefeuerte Kraftwerke, sondern auch solarthermische Kraftwerke (Solarkraftwerke) und Windkraftwerke (Windenergie). Ein großer Einsatzbereich von S. wird auf absehbare Zeit der dezentrale Inselbetrieb in nicht elektrifizierten Gebieten sein. Gerade in dünnbesiedelten Regionen ist es heute schon preiswerter, Strom mit S. zu erzeugen, anstatt aufwendige und verlustreiche Stromnetze aufzubauen. Aus diesem Grund kommen in Entwicklungsländern S. heute schon vielfältig zum Einsatz: Photovoltaisch betriebene Wasserpumpen, Stromversorgung von abgelegenen Radiosendern und Krankenhäusern (Kühlung von Medikamenten) und standardisierte Systeme zur Minimalelektrifizierung privater Haushalte.
In Deutschland finden z.B. amorphe Siliziumzellen bei elektrischen Kleinverbrauchern (z.B. Taschenrechnern und Armbanduhren) ihren Einsatz.
Netzgekoppelte Anlagen, zur Unterstützung der häuslichen Stromversorgung, sind seit der Verabschiedung des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wirtschaftlich zu betreiben. Grund dafür sind die hohen Einspeisevergütungen, weshalb der erzeugte Strom komplett eingespeist werden sollte. Weiter sind auch verschiedene Förderprogramme (z.B. das 100.000-Dächer-Programm) von Bund, Ländern und Städten zu beziehen.
Weltweit ließe sich technisch betrachtet die gesamte Energieversorgung auf S. in Verbindung mit der Wasserstofftechnologie als Speicher- und Transportmedium aufbauen. Selbst im sonnenschwachen Deutschland können 12% des Strombedarfs solar gedeckt werden, wenn etwa die Hälfte der nutzbaren Dachfläche mit S. bedeckt würde.
Kompletanlagen, siehe Photovoltaik-Anlage.
Literaturangabe:
Heinz Ladener: Solare Stromversorgung

Autor: KATALYSE Institut

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