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Photovoltaik Alles nur eine Frage des Wirkungsgrades

Neben Wind und Wasserkraft und Biomasse ist die Photovoltaik eine der tragenden Säulen der Energiewende. Es krankt allerdings noch an der Effizienz der Solarzellen. Mit technischen Kniffen will man dem Manko verstärkt zu Leibe rücken.

© dapd Ein langer, kalter Winter ohne Wind und ohne Sonnenschein könnte das Stromnetz in Baden-Württemberg extrem instabil machen

Will Deutschland sein selbstgestecktes Ziel erreichen und bis zum Jahr 2050 die Hälfte der gesamten Energie aus erneuerbaren Quellen gewinnen, führt kein Weg an der Photovoltaik vorbei. Solarzellen sind allerdings immer noch nicht leistungsfähig genug. Im vergangenen Jahr wurden in Deutschland mit 28 Terawattstunden Solarstrom nur etwa fünf Prozent der gesamten Stromproduktion erzeugt. Soll mehr Sonnenlicht in Elektrizität verwandelt werden, reicht es nicht, nur die Flächen zu vergrößern, man muss vor allem der Wirkungsgrad der Solarmodule erhöhen. Wie dies gemeistert werden kann, wurde in der vergangenen Woche in Dresden auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG)  diskutiert.

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Solarzellen aus Silizium beherrschen den Markt. Hier gibt es polykristalline Zellen, die unter Praxisbedingungen Wirkungsgrade von bis zu 18,5 Prozent erreichen, oder Zellen aus monokristallinem Silizium, die zwar effizienter sind, aber auch höhere Material- und Herstellungskosten haben. Am Beispiel einer solchen Silizium-Solarzelle erläuterte Martin Hermle vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg, wo die Hauptverluste liegen und wie sich diese verhindern lassen. Eine Standard-Solarzelle wird in acht Fertigungsschritten hergestellt und besteht maßgeblich aus dotiertem Halbleitermaterial. Fällt auf das Bauteil Licht, entsteht ein Elektron und ein positiv geladenes „Loch“. Beide Ladungsträger fließen in entgegengesetzte Richtungen zu den Metallelektroden.Verbindet man die Kontakte, fließt ein nutzbarer Strom.

In kleinen Schritten zum Ziel

Viele Hersteller nehmen bereits zwei Verbesserungsschritte vor, die den Wirkungsgrad auf etwa 20 Prozent erhöhen. Zunächst wird die sonnenzugewandte Seite der Zelle unterhalb der gitterartig angebrachten Metallelektroden mit Phosphor dotiert. Dadurch erhält das Material an diesen Stellen mehr Ladungsträger, wodurch sich der elektrische Widerstand zwischen Metall und Silizium verringert. Die Elektronen können besser abfließen. Als weitere Verbesserung hat sich die Rückseitenpassivierung mit einem dielektrischen Material wie Aluminiumoxid erwiesen. Durch diese Schicht hindurch werden lokale Metallkontakte erzeugt. Das Dielektrikum verhindert, dass Elektronen und Löcher wieder aufeinandertreffen, zerstrahlen und dadurch verloren gehen. Gegenüber einer ganzflächigen Metallkontaktierung steigert das den Wirkungsgrad um etwa ein Prozent.

Inflation der Produktionsschritte

Die Metallkontakte auf der Zellenoberseite haben ein weiteres Manko, da dort kein Sonnenlicht eindringen kann. Neue Entwicklungen versuchen daher, alle Kontakte auf der Unterseite anzuordnen. Damit lassen sich Abschattungsverluste reduzieren, außerdem kann man breite und widerstandsarme Kontakte verwenden. Wie Martin Hermle berichtete, weisen derart produzierte Zellen einen Wirkungsgrad von 23 Prozent auf, bei den Modulen sind es 21 Prozent. Allerdings ist die Fertigung recht aufwendig, die Zahl der Prozessschritte beläuft sich laut Hermle auf zwanzig bis fünfundzwanzig. Ein Weg zu günstigerem Solarstrom scheint das daher nicht zu sein. Als weiterer Optimierungsschritt werden derzeit Heteroübergänge untersucht. Dabei verwendet man zwei Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken in einer Solarzelle, die das Sonnenspektrum besser ausnutzen. Im vergangenen Herbst berichteten Forscher des südkoreanischen Unternehmens LG Electronics über eine rückseitenkontaktierte Zelle mit Heterokontakten, die einen Wirkungsgrad von 24 Prozent erreicht.

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