Solarselbstbau: Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Photovoltaik-Zelle

Einfache Solarzelle bauen (Schritt für Schritt) | Grundprinzip der Photovoltaik

Einführung in Solarzellen / Photovoltaische Zellen

Eine Solarzelle (oder photovoltaische Zelle) erzeugt elektrischen Strom entweder durch chemische Reaktion oder durch Umwandlung von Licht in Strom bei Sonnenbestrahlung. Dieser Artikel fokussiert auf photovoltaische Zellen.

Ein photovoltaisches Element produziert Strom, wenn seine Oberfläche Sonnenlicht ausgesetzt ist. Im Folgenden bezeichnen wir Sonnenlicht als elektromagnetische Strahlung (EM-Strahlung).

Die erzeugte elektrische Energie hängt von der Intensität der EM-Strahlung ab, die die Zelloberfläche trifft. Solarzellen wandeln EM-Strahlung in Gleichstrom um. Man kann sagen: Eine Solarzelle ist ein Halbleiter-Übergangsbauelement, das Sonnen-EM-Strahlung in elektrische Energie umsetzt. Der Strom ist Gleichstrom.

Grundlegendes Funktionsprinzip einer photovoltaischen / Solarzelle

Das Prinzip ähnelt der Leitung in Halbleitern wie Silizium. Die dunkle Oberfläche wird vom Licht getroffen. Trifft EM-Strahlung auf die Zelle, werden Elektronen angeregt und springen von einem Energieniveau (Orbit) zum nächsten, wobei Löcher zurückbleiben.

Diese Löcher fungieren als positive, Elektronen als negative Ladungsträger. Verwechselung vermeiden: Elektronen/Löcher tragen die Ladung, sie sind nicht die Ladung selbst. So wird EM-Strahlung in elektrische Energie umgewandelt. Solarzellen bestehen im Wesentlichen aus Halbleitern wie Silizium und Selen (am weitesten verbreitet).

Zur Vertiefung betrachten wir die Halbleitertypen, da diese in der Solarzellenproduktion dominieren.

Halbleitertypen

Man unterscheidet intrinsische und extrinsische Halbleiter.

Intrinsische Halbleiter:

Reine Form ohne Dotierung. Bei 0 °C nahezu keine freien Ladungsträger (Elektronen/Löcher) für Leitfähigkeit.

Extrinsische Halbleiter:

Dotierte Halbleiter (Fremdatome zur Leitfähigkeitssteigerung). Durch Dotierung entstehen:

• p-Typ Halbleiter

  Entsteht durch Dotieren von Silizium, Selen oder Germanium mit dreiwertigen Elementen (z. B. Bor). Löcher (positive Ladungsträger) sind Majoritätsträger.

• n-Typ Halbleiter

  Elektronen (negative Ladungsträger) sind Majoritätsträger. Entstehen durch Dotieren mit fünfwertigen Elementen (z. B. Phosphor, Arsen).

• p-n-Übergang

  Verbinden von p- und n-Typ durch Erhitzen der Kontaktflächen (nicht vollständiges Schmelzen). Es bildet sich eine Grenzschicht (≈ 10⁻³ mm) – der p-n-Übergang. Hohe Lochkonzentration auf p-Seite, hohe Elektronenkonzentration auf n-Seite führen zur Diffusion der Majoritätsträger in den jeweils anderen Bereich.

Einfache photovoltaische / Solarzelle bauen

Silizium und Selen sind die Hauptmaterialien. Galliumarsenid, Indiumarsenid, Cadmiumsulfid etc. werden ebenfalls genutzt, aber Si und Se dominieren.

Da Halbleitermaterialien teuer sein können, zeigen wir zwei Wege: Aufbau mit Silizium und Aufbau mit günstigen, verfügbaren Materialien.

Hinweis: Günstige Materialien liefern nicht die Leistung von Si/Se. Je größer die bestrahlte Fläche, desto mehr Energie.

Aufbau einer Solarzelle mit Silizium-Halbleiter

Die beleuchtete Oberfläche ist p-Typ-Material. Es muss dünn sein, damit EM-Strahlung den p-n-Übergang durchdringt und das n-Typ-Material erreicht, sodass Elektronen und Löcher diffundieren können.

Der vernickelte Ring um das p-Material dient als Pluspol, die Beschichtung am Boden des n-Materials als Minuspol.

Einfache Solarzelle bauen – Schritt für Schritt (DSSC-Typ mit Titandioxid)

Statt Kupferoxid nutzen wir andere Materialien. Benötigt:

• Glasplättchen (z. B. Mikroskop-Deckgläser)
• Deionisiertes Wasser
• Multimeter
• Transparentklebeband
• Flache Schale
• Elektrische Heizplatte (ideal 1100 W)
• Titandioxid-Lösung
• Kohle (Graphitstift oder Graphitschmierstoff)
• Iodid-Lösung
• Federklemmen (Binder Clips)
• Krokodilklemmen

In der Siliziumzelle war das p-Material lichtzugewandt und leitfähiger. Glas ist ein Halbleiter mit teilweiser Leitfähigkeit. Damit eine Platte p-, die andere n-Typ-Verhalten zeigt, werden sie chemisch behandelt, sodass eine leitfähiger wird.

1. Beide Glasplättchen gründlich mit Ethanol reinigen. Nach Reinigung nicht mit bloßen Händen berühren.
2. Mit Multimeter Leitfähigkeit der Oberflächen prüfen, leitfähigere Seite notieren. Platten nebeneinanderlegen: eine leitfähige Seite nach unten, die andere nach oben.
3. Transparentklebeband an einer langen Seite anbringen, um Platten zusammenzuhalten. Band überlappt ca. 1 mm. Zusätzlich auf der oberen Platte 4–5 mm vom Rand ein weiteres Bandstück kleben.
4. Titandioxid-Lösung gleichmäßig auf die nach unten zeigende leitfähige Oberfläche auftragen und verteilen. Lösung soll die nach unten zeigende Fläche bedecken.
5. Bänder entfernen, die die Platten zusammenhalten.
6. Die nach oben zeigende leitfähige Oberfläche über Nacht auf die Heizplatte legen, um Titandioxid einzubrennen. Titandioxid auf der unteren Fläche entfernen, Platte sauber ablegen.
7. Flache Schale mit Farbstoff füllen (aus Brombeere, Himbeere, Granatapfelsaft etc.). Die titandioxidbeschichtete Platte (nach unten zeigend) mind. 10 Min. einweichen.
8. Die andere Platte währenddessen mit Ethanol reinigen, Leitfähigkeit testen. Nicht-leitende Seite als Pluspol markieren. Graphitschmierstoff oder Graphitstift auf der leitfähigen Seite gleichmäßig auftragen.
9. Titandioxid-Platte aus Farbbad nehmen. Erst mit deionisiertem Wasser, dann mit Ethanol spülen. Ethanol mit sauberem Tuch abwischen.
10. Beide Platten so zusammenfügen, dass die Beschichtungen sich berühren, Platten leicht versetzt. Mit Federklemmen fixieren. Versatz nötig, da Ränder als Anschlüsse dienen.
11. Iodid-Lösung auf die der Sonne zugewandte Beschichtung tropfen, bis vollständig benetzt. Iodid hilft Elektronenfluss von TiO₂-Platte zur Kohle-Platte bei Bestrahlung. Überschüssige Lösung auf der Lichtseite abwischen.
12. Krokodilklemmen an den freiliegenden beschichteten Rändern anbringen: eine an Graphit-Seite (Anode), eine an TiO₂-Seite (Kathode). Anschlussdrähte an Klemmen, Zelle dem Licht aussetzen. Fertig! Spannung/Strom mit Multimeter messen. Offensichtlich nicht genug zum Handy-Laden, aber Reihenschaltung mehrerer Zellen ermöglicht dies!

Vorteile von Solarzellen

• Geräuschlos
• Kein Brennstoff nötig
• Antriebsenergie (Sonne) kostenlos
• Geringer Wartungsaufwand

Nachteile von Solarzellen

• Große Fläche nötig für nennenswerte Leistung
• Energieerzeugung bricht bei Bewölkung ein
• Wegen Schwankungen nicht als alleinige Energiequelle geeignet

Anwendungen & Einsatzgebiete

Trotz Nachteilen vielfältig nutzbar:

• Reihen-/Parallelgeschaltete Zellgruppen als Batterieladegerät
• Stromversorgung für Satelliten (Hauptanwendung)
• Mehrfach-Silizium-Photovoltaik für Lichterkennung (z. B. Lochkartenleser in Datenverarbeitung)
• Gold-dotierte Germaniumzellen mit spektraler Empfindlichkeit als Infrarotdetektoren

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