Solarzelle

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Hintergrund

Photovoltaik-Solarzellen sind dünne Siliziumscheiben, die Sonnenlicht in Strom umwandeln. Diese Platten dienen als Energiequellen für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich:Taschenrechner und andere kleine Geräte; Telekommunikation; Dachpaneele an einzelnen Häusern; und für Beleuchtung, Pumpen und medizinische Kühlung für Dörfer in Entwicklungsländern. Solarzellen in Form großer Arrays werden zum Antrieb von Satelliten und in seltenen Fällen zur Stromversorgung von Kraftwerken verwendet.

Als die Erforschung der Elektrizität begann und einfache Batterien hergestellt und untersucht wurden, folgte die Erforschung der Solarelektrizität erstaunlich schnell. Bereits 1839 enthüllte Antoine-Cesar Becquerel eine chemische Batterie zur Sonne, um zu sehen, wie sie Spannung erzeugt. Diese erste Umwandlung von Sonnenlicht in Strom war ein Prozent effizient. Das heißt, ein Prozent des einfallenden Sonnenlichts wurde in Strom umgewandelt. Willoughby Smith entdeckte 1873, dass Selen lichtempfindlich ist; 1877 stellten Adams und Day fest, dass Selen, wenn es Licht ausgesetzt wird, einen elektrischen Strom erzeugt. Charles Fritts verwendete in den 1880er Jahren ebenfalls goldbeschichtetes Selen, um die erste Solarzelle herzustellen, die wiederum nur ein Prozent effizient war. Trotzdem hielt Fritts seine Zellen für revolutionär. Er stellte sich kostenlose Sonnenenergie als Mittel der Dezentralisierung vor und sagte voraus, dass Solarzellen Kraftwerke durch einzeln betriebene Wohnungen ersetzen würden.

Mit Albert Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts im Jahr 1905 – Metall absorbiert Energie aus Licht und behält diese Energie, bis zu viel Licht darauf trifft – wuchs die Hoffnung erneut, dass Solarstrom mit höherer Effizienz möglich werden würde. Es wurden jedoch kaum Fortschritte erzielt, bis die Erforschung von Dioden und Transistoren 1954 das erforderliche Wissen für die Bell-Wissenschaftler Gordon Pearson, Darryl Chapin und Cal Fuller lieferte, um eine Siliziumsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von vier Prozent herzustellen.

Weitere Arbeiten brachten den Wirkungsgrad der Zelle auf 15 Prozent. Solarzellen wurden erstmals in der ländlichen und abgelegenen Stadt Americus, Georgia, als Stromquelle für ein Telefonrelaissystem eingesetzt und dort viele Jahre erfolgreich eingesetzt.

Ein Solarzellentyp, der den heimischen Energiebedarf vollständig decken kann, wurde noch nicht entwickelt, aber Solarzellen haben sich bei der Energieversorgung für künstliche Satelliten erfolgreich durchgesetzt. Kraftstoffsysteme und normale Batterien waren zu schwer in einem Programm, bei dem jedes Gramm zählte. Solarzellen liefern mehr Energie pro Gramm Gewicht als alle anderen herkömmlichen Energiequellen und sind kostengünstig.

Es wurden nur wenige Photovoltaik-Großanlagen errichtet. Die meisten Bemühungen zielen darauf ab, Solarzellentechnologie an abgelegenen Orten bereitzustellen, die keine anderen Möglichkeiten für hochentwickelte Energie haben. Etwa 50 Megawatt werden jedes Jahr installiert, Solarzellen liefern jedoch nur ca. 1 Prozent des gesamten Stroms wird jetzt produziert. Befürworter der Solarenergie behaupten, dass die Menge an Sonnenstrahlung, die jedes Jahr die Erdoberfläche erreicht, leicht unseren gesamten Energiebedarf um ein Vielfaches decken könnte, aber Solarzellen haben noch einen langen Weg vor sich, bis sie Charles Fritts' Traum von kostenlosem, vollständig zugänglichem Solarstrom erfüllen .

Rohstoffe

Der Grundbestandteil einer Solarzelle ist reines Silizium, das in seinem natürlichen Zustand nicht rein ist. Um Solarzellen herzustellen, werden die Rohstoffe – Siliziumdioxid, entweder Quarzitkies oder Quarzbruch – zunächst in ein Elektrolichtbogenofen, bei dem ein Kohlelichtbogen angelegt wird, um den Sauerstoff freizusetzen. Die Produkte sind Kohlendioxid und geschmolzenes Silizium. Zu diesem Zeitpunkt ist das Silizium noch nicht rein genug, um für Solozellen verwendet zu werden und muss weiter gereinigt werden. Reines Silizium wird aus Siliziumdioxiden wie Quarzitkies (der reinsten Kieselsäure) oder Quarzsand gewonnen. Das resultierende reine Silizium wird dann mit Phosphor und Bor dotiert (behandelt), um einen Elektronenüberschuss bzw. einen Elektronenmangel zu erzeugen, um einen elektrisch leitenden Halbleiter herzustellen. Die Siliziumscheiben sind glänzend und benötigen eine Antireflexbeschichtung, meist Titandioxid.

Das Solarmodul besteht aus dem Silizium-Halbleiter, umgeben von Schutzmaterial in einem Metallrahmen. Das Schutzmaterial besteht aus einer Einkapselung aus transparentem Silikonkautschuk oder Butyryl-Kunststoff (üblicherweise in Autowindschutzscheiben verwendet) um die Zellen geklebt, die dann in Ethylenvinylacetat eingebettet werden. Eine Polyesterfolie (wie Mylar oder Tedlar) bildet den Träger. Bei terrestrischen Arrays findet man eine Glasabdeckung, bei Satelliten-Arrays eine leichte Plastikabdeckung. Die elektronischen Teile sind Standard und bestehen größtenteils aus Kupfer. Der Rahmen ist entweder aus Stahl oder Aluminium. Silizium wird als Zement verwendet, um alles zusammenzusetzen.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Reinigung des Siliziums

• 1 Das Siliziumdioxid aus Quarzitkies oder Quarzsand wird in einen Elektrolichtbogenofen gegeben. Anschließend wird ein Kohlelichtbogen angelegt, um den Sauerstoff freizusetzen. Die Produkte sind Kohlendioxid und geschmolzenes Silizium. Dieser einfache Prozess ergibt Silizium mit einem Prozent Verunreinigung, das in vielen Industrien nützlich ist, aber nicht in der Solarzellenindustrie.
• 2 Das zu 99 Prozent reine Silizium wird mit der Floating-Zone-Technik noch weiter gereinigt. Ein Stab aus unreinem Silizium wird mehrmals in der gleichen Richtung durch eine beheizte Zone geführt. Dieses Verfahren "zieht" die Verunreinigungen bei jedem Durchgang zu einem Ende. An einem bestimmten Punkt gilt das Silizium als rein und das unreine Ende wird entfernt.

Herstellung von einkristallinem Silizium

• 3 Solarzellen bestehen aus Siliziumkugeln, polykristallinen Strukturen, die die atomare Struktur eines Einkristalls haben. Das am häufigsten verwendete Verfahren zur Herstellung der Boule ist die Czochralski-Methode. Bei diesem Verfahren wird ein Impfkristall aus Silizium in geschmolzenes polykristallines Silizium getaucht. Wenn der Impfkristall abgezogen und gedreht wird, wird ein zylindrischer Barren oder eine "Kugel" aus Silizium gebildet. Der entnommene Barren ist ungewöhnlich rein, da Verunreinigungen dazu neigen, in der Flüssigkeit zu verbleiben.

Herstellung von Siliziumwafern

• 4 Von der Kugel werden Siliziumwafer einzeln mit einer Kreissäge geschnitten, deren Innendurchmesser in den Stab schneidet, oder viele auf einmal mit einer Mehrdrahtsäge. (Eine Diamantsäge erzeugt Schnitte, die so breit wie der Wafer sind – 5 Millimeter dick.) Nur etwa die Hälfte des Siliziums geht von der Kugel bis zum fertigen kreisförmigen Wafer verloren – mehr, wenn der Wafer dann rechteckig geschnitten wird oder sechseckig. In Solarzellen werden manchmal rechteckige oder sechseckige Wafer verwendet, weil sie sich perfekt zusammenfügen lassen und so den gesamten verfügbaren Platz auf der Vorderseite der Solarzelle ausnutzen. Nach der ersten Reinigung wird das Silizium in einem Floating-Zone-Verfahren weiter veredelt. Bei diesem Verfahren wird ein Siliziumstab mehrmals durch eine erhitzte Zone geführt, die dazu dient, die Verunreinigungen zu einem Ende des Stabes zu "ziehen". Das unreine Ende kann dann entfernt werden.
  Als nächstes wird ein Silizium-Impfkristall in eine Czochralski-Wachstumsapparatur gegeben, wo es in geschmolzenes polykristallines Silizium getaucht wird. Der Impfkristall dreht sich beim Herausziehen und bildet einen zylindrischen Ingot aus sehr reinem Silizium. Anschließend werden Wafer aus dem Ingot herausgeschnitten.
• 5 Die Wafer werden dann poliert, um Sägespuren zu entfernen. (Kürzlich wurde festgestellt, dass rauere Zellen Licht effektiver absorbieren, daher haben sich einige Hersteller entschieden, den Wafer nicht zu polieren.)

Doping

• 6 Der traditionelle Weg zum Dotieren (Hinzufügen von Verunreinigungen) von Siliziumwafern mit Bor und Phosphor besteht darin, während des Czochralski-Prozesses in Schritt 3 oben eine kleine Menge Bor einzuführen. Die Wafer werden dann Rücken an Rücken versiegelt und in einen Ofen gelegt, um in Gegenwart von Phosphorgas auf etwas unter den Schmelzpunkt von Silizium (2.570 Grad Fahrenheit oder 1.410 Grad Celsius) erhitzt zu werden. Die Phosphoratome „graben“ sich in das Silizium ein, das poröser ist, weil es fast flüssig wird. Die dem Prozess gegebene Temperatur und Zeit werden sorgfältig kontrolliert, um eine gleichförmige Verbindung mit der richtigen Tiefe zu gewährleisten.

  Eine neuere Möglichkeit, Silizium mit Phosphor zu dotieren, besteht darin, mit einem kleinen Teilchenbeschleuniger Phosphorionen in den Ingot zu schießen. Durch die Steuerung der Geschwindigkeit der Ionen ist es möglich, ihre Eindringtiefe zu steuern. Dieses neue Verfahren wurde jedoch im Allgemeinen von kommerziellen Herstellern nicht akzeptiert.

Elektrische Kontakte platzieren

• 7 Elektrische Kontakte verbinden jede Solarzelle mit einer anderen und mit dem Empfänger des erzeugten Stroms. Die Kontakte müssen (zumindest vorne) sehr dünn sein, um das Sonnenlicht nicht auf die Zelle zu blockieren. Metalle wie Palladium/Silber, Nickel oder Kupfer werden vakuumverdampft Diese Abbildung zeigt den Aufbau einer typischen Solarzelle. Die Zellen sind in Ethylenvinylacetat gekapselt und in einem Metallrahmen mit Mylar-Rückseite und Glasabdeckung untergebracht. durch einen Photoresist, Siebdruck oder einfach auf den belichteten Teil der Zellen aufgebracht, die teilweise mit Wachs bedeckt wurden. Bei allen drei Verfahren handelt es sich um ein System, bei dem der Teil der Zelle, an dem ein Kontakt nicht erwünscht ist, geschützt wird, während der Rest der Zelle dem Metall ausgesetzt ist.
• 8 Nachdem die Kontakte angebracht sind, werden dünne Streifen ("Finger") zwischen die Zellen gelegt. Die am häufigsten verwendeten Bänder sind verzinntes Kupfer.

Die Antireflexbeschichtung

• 9 Da reines Silizium glänzend ist, kann es bis zu 35 Prozent des Sonnenlichts reflektieren. Um den Verlust des Sonnenlichts zu reduzieren, wird der Siliziumwafer mit einer Antireflexbeschichtung versehen. Die am häufigsten verwendeten Beschichtungen sind Titandioxid und Siliziumoxid, obwohl auch andere verwendet werden. Das zur Beschichtung verwendete Material wird entweder erhitzt, bis seine Moleküle verdampfen und zum Silizium wandern und kondensieren, oder das Material wird zerstäubt. Dabei werden Moleküle durch eine hohe Spannung vom Material abgestoßen und an der Gegenelektrode auf dem Silizium abgeschieden. Noch ein weiteres Verfahren besteht darin, das Silizium selbst mit sauerstoff- oder stickstoffhaltigen Gasen reagieren zu lassen, um Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid zu bilden. Kommerzielle Solarzellenhersteller verwenden Siliziumnitrid.

Kapselung der Zelle

• 10 Anschließend werden die fertigen Solarzellen vergossen; das heißt, in Silikongummi oder Ethylenvinylacetat versiegelt. Die verkapselten Solarzellen werden dann in einen Aluminiumrahmen mit einer Mylar- oder Tedlar-Rückseite und einer Glas- oder Kunststoffabdeckung gelegt.

Qualitätskontrolle

Die Qualitätskontrolle ist bei der Solarzellenherstellung wichtig, da Abweichungen in den vielen Prozessen und Faktoren den Gesamtwirkungsgrad der Zellen negativ beeinflussen können. Das primäre Forschungsziel besteht darin, Wege zu finden, die Effizienz jeder Solarzelle über eine längere Lebensdauer zu verbessern. Das Low Cost Solar Array Project (initiiert vom US-Energieministerium in den späten 1970er Jahren) förderte private Forschung, die darauf abzielte, die Kosten von Solarzellen zu senken. Das Silizium selbst wird auf Reinheit, Kristallorientierung und spezifischen Widerstand getestet. Die Hersteller testen auch auf das Vorhandensein von Sauerstoff (der seine Festigkeit und Verzugsfestigkeit beeinflusst) und Kohlenstoff (der Defekte verursacht). Fertige Siliziumscheiben werden auf Beschädigungen, Abplatzungen oder Verbiegungen untersucht, die beim Sägen, Polieren und Ätzen aufgetreten sein könnten.

Während des gesamten Herstellungsprozesses von Siliziumscheiben werden Temperatur, Druck, Geschwindigkeit und Dotierstoffmengen kontinuierlich überwacht. Außerdem wird darauf geachtet, dass Verunreinigungen in der Luft und auf den Arbeitsflächen auf ein Minimum reduziert werden.

Die fertigen Halbleiter müssen dann elektrischen Tests unterzogen werden, um sicherzustellen, dass Strom, Spannung und Widerstand jeweils den entsprechenden Standards entsprechen. Ein früheres Problem bei Solarzellen war die Tendenz, bei Halbschatten nicht mehr zu funktionieren. Dieses Problem wurde durch die Bereitstellung von Shunt-Dioden gemildert, die gefährlich hohe Spannungen an der Zelle reduzieren. Der Shunt-Widerstand muss dann mit halbschattigen Kontaktstellen getestet werden.

Ein wichtiger Test von Solarmodulen besteht darin, Testzellen mit Lichtbedingungen und Lichtintensität zu versehen, die sie unter normalen Bedingungen treffen, und dann zu überprüfen, ob sie gut funktionieren. Außerdem werden die Zellen Hitze und Kälte ausgesetzt und auf Vibration, Verwindung und Hagel getestet.

Der letzte Test für Solarmodule ist ein Feldtest, bei dem die fertigen Module dort platziert werden, wo sie tatsächlich verwendet werden. Damit erhält der Forscher die besten Daten, um den Wirkungsgrad einer Solarzelle unter Umgebungsbedingungen und die effektive Lebensdauer der Solarzelle, die wichtigsten Faktoren überhaupt, zu bestimmen.

Die Zukunft

Angesichts des derzeitigen Zustands relativ teurer, ineffizienter Solarzellen kann die Zukunft nur verbessert werden. Einige Experten sagen voraus, dass es bis zum Jahr 2000 eine Milliarden-Dollar-Industrie sein wird. Diese Vorhersage wird durch Beweise dafür gestützt, dass in Ländern wie Japan, Deutschland und Italien mehr Photovoltaik-Dachsysteme entwickelt werden. In Mexiko und China gibt es Pläne, mit der Herstellung von Solarzellen zu beginnen. Ebenso bauen Ägypten, Botswana und die Philippinen (alle drei mit Unterstützung amerikanischer Unternehmen) Anlagen zur Herstellung von Solarzellen.

Die meisten aktuellen Forschungen zielen darauf ab, die Kosten von Solarzellen zu senken oder die Effizienz zu erhöhen. Innovationen in der Solarzellentechnologie umfassen die Entwicklung und Herstellung kostengünstiger Alternativen zu den teuren kristallinen Siliziumzellen. Zu diesen Alternativen gehören Solarfenster, die die Photosynthese nachahmen, und kleinere Zellen aus winzigen, amorphen Siliziumkugeln. Bereits jetzt gewinnen amorphes Silizium und polykristallines Silizium auf Kosten von einkristallinem Silizium an Popularität. Weitere Innovationen wie Schattenminimierung und Fokussierung des Sonnenlichts durch prismatische Linsen. Dabei handelt es sich um Schichten aus unterschiedlichen Materialien (insbesondere Galliumarsenid und Silizium), die Licht mit unterschiedlichen Frequenzen absorbieren und dadurch die Menge des Sonnenlichts erhöhen, die effektiv für die Stromerzeugung genutzt wird.

Einige Experten sehen die Anpassung von Hybridhäusern voraus; dh Häuser, die Solarwarmwasserbereiter, passive Solarheizung und Solarzellen zur Reduzierung des Energiebedarfs verwenden. Eine andere Ansicht betrifft die Raumfähre, die immer mehr Solaranlagen in die Umlaufbahn bringt, einen Solarstromsatelliten, der Strom an die Solaranlagenfarmen der Erde sendet, und sogar eine Weltraumkolonie, die Solaranlagen für den Einsatz auf der Erde herstellen wird.