Das Wichtigste in Kürze
Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall. Weil das Kristallgitter durchgehend geordnet ist, gehen im Inneren weniger Ladungsträger verloren als in polykristallinen Zellen. Sie sind die Grundlage der gängigen Solarmodule.
- Material: ein Einkristall aus Silizium, jedes Atom mit vier Bindungen zu seinen Nachbarn (Lehrwerk PVEducation)
- Herstellung: Czochralski-Verfahren, ein runder Kristallstab wird aus der Schmelze gezogen und in Scheiben gesägt
- Erkennungszeichen: gleichmäßig dunkle Fläche, oft abgeschrägte Ecken
- Anfangsverlust: 1 bis 2 % in den ersten Betriebstagen, je nach Zellmaterial (Fraunhofer ISE)
- Energieaufwand: Anlagen mit monokristallinen Modulen holen die Herstellungsenergie in Deutschland nach unter 1,3 Jahren wieder herein (Berechnung des Fraunhofer ISE)
Was sind monokristalline Solarzellen?
Monokristalline Solarzellen sind Solarzellen, die aus einem einzigen Kristall aus Silizium geschnitten werden. "Mono" heißt eins: Die Atome sitzen in der ganzen Zelle in derselben, durchgehenden Ordnung. Das Lehrwerk PVEducation beschreibt es so: Jedes Siliziumatom teilt seine vier äußeren Elektronen in vier Bindungen mit seinen Nachbarn. So entsteht ein regelmäßiges Gitter.
Diese Ordnung ist der ganze Vorteil. Trifft Licht auf die Zelle, löst es im Silizium Ladungsträger. Das ist der Photoeffekt. Die Ladungsträger müssen dann bis zu den Kontakten wandern, ohne unterwegs verloren zu gehen. In einem geordneten Kristall gelingt das besser als in einem Material mit vielen Störstellen. Nach PVEducation hat monokristallines Silizium deshalb bessere Materialwerte als multikristallines und verhält sich gleichmäßig und berechenbar.
Die Zelle ist nur der Baustein. Viele Zellen zusammen ergeben ein Modul, und erst das Modul kommt aufs Dach. Alles zu Preisen, Lebensdauer, Garantien und Kauf steht deshalb im Beitrag über monokristalline Solarmodule. Dieser Beitrag bleibt bei der Zelle selbst.
Woran erkennt man monokristalline Solarzellen?
Monokristalline Solarzellen erkennt man an zwei Merkmalen: an der gleichmäßig dunklen Fläche und oft an den abgeschrägten Ecken. Beides folgt direkt aus der Herstellung.
| Merkmal | Monokristallin | Polykristallin |
|---|---|---|
| Kristall | ein einziger Kristall | viele Kristalle nebeneinander |
| Oberfläche | gleichmäßig dunkel | helle und dunkle Kristallflächen |
| Form der Zelle | rund oder quadratisch mit gestutzten Ecken | quadratisch |
| Herstellung | Kristallstab wird gezogen | Block wird gegossen und zersägt |
| Materialgüte | höher | niedriger, wegen der Korngrenzen |
| Aufwand | langsam und teuer | einfacher und günstiger |
Die gestutzten Ecken haben einen einfachen Grund. Der Kristall wächst als runder Stab. Schneidet man ihn in Scheiben, sind diese zunächst rund. Für ein rechteckiges Modul wären runde Zellen Platzverschwendung, also werden die Ränder gestutzt. Übrig bleibt ein Quadrat mit abgeschrägten Ecken, das sich dicht packen lässt.
Wie werden monokristalline Solarzellen hergestellt?
Monokristalline Solarzellen entstehen in vier großen Schritten: Silizium reinigen, Kristall ziehen, Scheiben sägen, Zelle fertigen. Das Fraunhofer ISE beschreibt die Kette so: erst hochreines Polysilizium, dann die Kristallisation zu Blöcken, den Ingots, dann das Sägen der Wafer, danach Zell- und Modulproduktion.
- Silizium reinigenAus Quarz wird hochreines Polysilizium.
- Kristall ziehenAus der Schmelze wächst ein runder Einkristall.
- Wafer sägenDer Stab wird in dünne Scheiben geschnitten.
- Zelle fertigenAufrauen, dotieren, beschichten, Kontakte aufbringen.
Der entscheidende Schritt ist das Ziehen des Kristalls nach dem Czochralski-Verfahren. Das Silizium wird in einem Tiegel aus Quarz geschmolzen. Ein kleiner Impfkristall wird in die Schmelze getaucht und langsam nach oben gezogen. An ihm lagern sich die Atome in derselben Ordnung an, und es wächst ein großer, runder Einkristall. Nach PVEducation ist das Verfahren eines der wichtigsten für Einkristalle und wird auch für Computerchips genutzt.
Der Quarztiegel hat eine Nebenwirkung: Er gibt Sauerstoff an das Silizium ab, in einer Größenordnung von Millionsteln. Für sich genommen ist das harmlos. Zusammen mit Bor, einem üblichen Zusatzstoff, entstehen aber Verbindungen, die die Zelle unter Licht etwas schwächen. Mehr dazu steht im Abschnitt zu p-Typ und n-Typ.
Nach dem Sägen wird die Oberfläche der Scheibe chemisch aufgeraut. Dabei entstehen winzige Pyramiden, die weniger Licht zurückwerfen. Das klappt nach PVEducation besonders gut, wenn der Kristall in einer bestimmten Richtung gewachsen ist. Ein Einkristall hat überall dieselbe Richtung, deshalb wird die ganze Fläche gleichmäßig dunkel. Danach folgen die Dotierung, eine Schicht gegen Spiegelung und die Metallkontakte. Wie eine fertige Solarzelle Strom erzeugt, erklärt ein eigener Beitrag.
Warum sind sie besser als polykristalline Zellen?
Monokristalline Zellen sind besser, weil ihnen die Korngrenzen fehlen. Eine polykristalline Solarzelle besteht aus vielen Kristallen, die beim Erstarren eines gegossenen Blocks nebeneinander wachsen. Wo zwei Kristalle aneinanderstoßen, passt das Gitter nicht zusammen. Diese Naht heißt Korngrenze.
PVEducation nennt drei Folgen. An den Korngrenzen gehen Ladungsträger verloren, bevor sie die Kontakte erreichen. Die Grenzen können den Stromfluss behindern. Und sie können Schleichwege bilden, über die Strom im Inneren der Zelle abfließt. Alles drei kostet Leistung.
Polykristallines Silizium ist kein schlechtes Material. Sind die Kristalle mindestens einige Millimeter groß, bleiben die Verluste nach PVEducation klein. Der Vorteil lag immer beim Preis: Ein Block lässt sich einfacher gießen als ein Einkristall ziehen. Sobald Einkristalle günstig genug wurden, fiel dieser Vorteil weg.
Wie viel Prozent des Lichts eine Zelle am Ende in Strom umwandelt, hängt nicht nur vom Kristall ab, sondern auch vom Aufbau der Zelle. Die Zahlen dazu stehen in den Beiträgen zum Zellwirkungsgrad und zum Modulwirkungsgrad.
p-Typ und n-Typ: Was ist der Unterschied?
p-Typ und n-Typ unterscheiden sich im Fremdstoff, der dem Silizium beigemischt wird. Reines Silizium leitet Strom schlecht. Erst winzige Mengen eines anderen Elements machen daraus einen brauchbaren Halbleiter. Fachleute nennen das Dotierung. Bei p-Typ ist der Zusatz meist Bor, bei n-Typ Phosphor.
Für monokristalline Zellen ist die Wahl wichtig, weil Bor und der Sauerstoff aus dem Quarztiegel sich nicht vertragen. Nach PVEducation bilden beide zusammen Verbindungen, die die Lebensdauer der Ladungsträger senken. Die Zelle verliert dadurch in den ersten Tagen im Licht etwas Leistung. Das Fraunhofer ISE beziffert diesen Anfangsverlust je nach Zellmaterial auf 1 bis 2 %.
- Kristalle mit Phosphor (n-Typ) enthalten ähnlich viel Sauerstoff, zeigen diesen Verlust aber nicht.
- Auch Gallium statt Bor vermeidet den Verlust.
- Die Nennleistung eines Moduls bezieht sich nach dem Fraunhofer ISE meistens schon auf den Zustand nach dem Anfangsverlust.
Auf dem Kristall bauen verschiedene Zellarten auf, die sich in den Schichten und Kontakten unterscheiden. Die bekannteste ist die PERC-Zelle mit einer zusätzlichen Schicht auf der Rückseite. Welche Zellart in welchem Modul steckt und was das für den Kauf bedeutet, behandelt der Beitrag über monokristalline Solarmodule. Wie stark Module über die Jahre nachlassen, steht unter Degradation.
Wie viel Energie kostet die Herstellung?
Die Herstellung monokristalliner Solarzellen kostet mehr Energie als die polykristalliner, weil das Ziehen des Einkristalls langsam und heiß abläuft. Wie viel das ausmacht, zeigt die Energierücklaufzeit. Sie gibt an, wie lange eine Anlage laufen muss, bis sie die Energie für ihre Herstellung wieder geliefert hat.
Der Einkristall kostet also zunächst mehr Energie. Die Fertigung ist aber sparsamer geworden: Für marktübliche monokristalline Module kommt das Fraunhofer ISE auf unter 1,3 Jahre. Bei einer Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren liefert eine Anlage nach der älteren Analyse das 11- bis 18-Fache der eingesetzten Energie zurück.
Praxis: Was die Zelle für die Modulwahl bedeutet
Für die Wahl eines Moduls müssen Sie die Zelle nicht im Detail verstehen, drei Angaben im Datenblatt reichen. Sie verraten, welche Zelle im Modul steckt und was daraus folgt.
- Zelltyp: Steht im Datenblatt "mono" oder "monokristallin", ist es ein Einkristall. Steht dort "poly" oder "multi", ist es ein gegossenes Material.
- p-Typ oder n-Typ: n-Typ-Zellen kennen den Anfangsverlust durch Bor und Sauerstoff nicht.
- Temperaturkoeffizient: Er zeigt, wie stark die Leistung bei Wärme sinkt. Mehr dazu unter Temperaturkoeffizient.
Alles Weitere entscheidet sich auf der Ebene des Moduls und der ganzen Anlage: Leistung je Fläche, Preis, Garantie, Verschaltung. Dafür gibt es eigene Beiträge, etwa zu bifazialen Solarmodulen, die auch auf der Rückseite Strom erzeugen, und zu Dünnschichtmodulen, die ganz ohne gesägte Kristallscheiben auskommen.
Häufige Fragen
Was sind monokristalline Solarzellen?
Monokristalline Solarzellen sind Solarzellen aus einem einzigen Siliziumkristall. Alle Atome sitzen in einem durchgehenden, geordneten Gitter. Dadurch gibt es keine Korngrenzen, an denen Ladungsträger verloren gehen. Die Zellen werden aus einem gezogenen Kristallstab in dünne Scheiben gesägt.
Woran erkennt man eine monokristalline Solarzelle?
An der gleichmäßig dunklen Fläche ohne sichtbare Kristallstruktur und oft an den abgeschrägten Ecken. Die Ecken entstehen, weil die Scheiben aus einem runden Kristallstab geschnitten und nur an den Rändern gestutzt werden. Polykristalline Zellen zeigen dagegen helle und dunkle Kristallflächen nebeneinander.
Was ist besser, polykristalline oder monokristalline Solarzellen?
Monokristalline Solarzellen haben das bessere Material. Polykristallines Silizium besteht aus vielen Kristallen, und an deren Grenzen gehen Ladungsträger verloren. Dafür ist es einfacher und günstiger herzustellen. Monokristallines Silizium ist nach dem Lehrwerk PVEducation die teuerste Art von Silizium, weil die Herstellung sorgfältig und langsam abläuft.
Wie werden monokristalline Solarzellen hergestellt?
Hochreines Silizium wird in einem Quarztiegel geschmolzen. Aus der Schmelze wird nach dem Czochralski-Verfahren langsam ein runder Kristallstab gezogen. Der Stab wird in dünne Scheiben gesägt, die Wafer. Diese werden an der Oberfläche aufgeraut, dotiert, beschichtet und mit Metallkontakten versehen.
Was ist der Unterschied zwischen p-Typ und n-Typ?
Der Unterschied liegt im Fremdstoff, der dem Silizium beigemischt wird. Bei p-Typ ist es meist Bor, bei n-Typ Phosphor. Bor bildet mit dem Sauerstoff aus dem Quarztiegel Verbindungen, die die Zelle unter Licht etwas schwächer machen. Kristalle mit Phosphor zeigen diesen Verlust nach PVEducation nicht.
Verlieren monokristalline Solarzellen am Anfang Leistung?
Je nach Zellmaterial ja. Das Fraunhofer ISE nennt einen lichtbedingten Anfangsverlust von 1 bis 2 % in den ersten Betriebstagen. Die Nennleistung auf dem Etikett eines Moduls bezieht sich nach dem Institut meistens schon auf den Zustand nach diesem Verlust.
Ist die Herstellung monokristalliner Solarzellen energieaufwendig?
Sie braucht mehr Energie als die Herstellung polykristalliner Zellen. In einer Analyse im Auftrag des Umweltbundesamtes holten Anlagen mit monokristallinen Modulen die eingesetzte Energie in Deutschland nach 2,1 Jahren wieder herein, Anlagen mit multikristallinen Modulen nach 1,6 Jahren. Neuere Berechnungen des Fraunhofer ISE kommen für monokristalline Module auf unter 1,3 Jahre.
Was ist der Unterschied zwischen Solarzelle und Solarmodul?
Die Solarzelle ist der einzelne Baustein, der Licht in Strom umwandelt. Ein Solarmodul besteht aus vielen Zellen, die elektrisch verbunden, zwischen Glas und Folie eingebettet und gerahmt sind. Preise, Lebensdauer und Garantien sind Eigenschaften des Moduls, nicht der einzelnen Zelle.
Fazit
Die monokristalline Solarzelle verdankt ihre Stärke einer einfachen Eigenschaft: Sie besteht aus einem einzigen, geordneten Kristall. Ohne Korngrenzen gehen weniger Ladungsträger verloren. Der Preis dafür ist eine aufwendigere Herstellung, die sich energetisch aber nach gut einem Jahr Betrieb bezahlt macht.
Wer ein Modul kauft, bekommt die Zelle fertig verbaut. Was beim Kauf zählt, steht im Beitrag über monokristalline Solarmodule. Eine erste Auslegung für das eigene Dach liefert der Photovoltaik-Konfigurator.
Quellen und Methodik
Kristallaufbau, Czochralski-Verfahren, Sauerstoff und Bor sowie die Wirkung von Korngrenzen stammen aus dem Lehrwerk PVEducation der Universitäten Arizona State und New South Wales. Fertigungskette, Anfangsverlust, Energierücklaufzeit und Erntefaktor stammen aus den Fakten zur Photovoltaik des Fraunhofer ISE. Die Vergleichstabelle ist eine qualitative Einordnung ohne Messwerte. Wirkungsgrade, Preise und Rekorde nennt der Beitrag nicht, weil sie sich laufend ändern. Solar.red hat keine Zellen gemessen.
- PVEducation (Honsberg, Bowden): Single Crystalline Silicon - Kristallaufbau, Form der Zellen, Aufrauen der Oberfläche
- PVEducation: Czochralski Silicon - Kristallziehen, Sauerstoff aus dem Tiegel, Bor und Phosphor
- PVEducation: Multi Crystalline Silicon - Korngrenzen und ihre Folgen
- Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland - Fertigungskette, Anfangsverlust, Energierücklaufzeit
Hinweis: Solar.red steht in keiner geschäftlichen Verbindung mit den genannten Einrichtungen. Der Beitrag erklärt die Technik und ersetzt keine Beratung. Für die Planung Ihrer Anlage wenden Sie sich an einen Fachbetrieb.
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