Silizium in der Photovoltaik: Herstellung und Zelltypen

Was ist Silizium?

Silizium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Si und der Ordnungszahl 14. Es ist ein Halbleiter, leitet Strom also schlechter als ein Metall und besser als ein Isolator. Rein kommt Silizium in der Natur nicht vor. Es steckt gebunden an Sauerstoff in Sand und Gestein, vor allem als Quarz. Laut dem Lehrwerk PVEducation ist Siliziumdioxid das häufigste Mineral der Erdkruste.

Als reiner Stoff ist Silizium grau, hart und spröde. Aus ihm bestehen Computerchips ebenso wie Solarzellen. Die Photovoltaik nutzt dieselbe Eigenschaft wie die Elektronik: Die Leitfähigkeit von Silizium lässt sich gezielt einstellen.

Warum eignet sich Silizium für Solarzellen?

Silizium eignet sich für Solarzellen, weil seine Bandlücke gut zum Sonnenlicht passt, der Rohstoff reichlich vorhanden ist und die Zellen sehr lange halten. Die Bandlücke ist die Energie, die ein Lichtteilchen mitbringen muss, um im Material ein Elektron freizusetzen. Das US-Energieministerium beschreibt sie als die Größe, die festlegt, welche Wellenlängen ein Material aufnehmen und in Strom umwandeln kann. Bei Silizium liegt sie bei rund 1,12 Elektronenvolt. Damit nutzt es das sichtbare Licht und einen Teil der Wärmestrahlung.

Damit aus freien Elektronen Strom wird, braucht die Zelle eine eingebaute Richtung. Dafür wird das Silizium dotiert, also gezielt mit winzigen Mengen fremder Atome versetzt. Phosphor bringt zusätzliche Elektronen mit, Bor hinterlässt Lücken. Wo beide Schichten aufeinandertreffen, entsteht ein elektrisches Feld. Es schiebt die freigesetzten Elektronen in eine Richtung, und es fließt Gleichstrom.

Wie das im Einzelnen abläuft, erklären die Beiträge zum Halbleiter und zum Photoeffekt. Eine einzelne Zelle liefert nur einen Bruchteil eines Volts, deshalb werden viele Zellen in einem Modul hintereinandergeschaltet. Den genauen Wert nennt der Beitrag zur Leerlaufspannung.

Wie wird aus Quarz ein Solar-Wafer?

Aus Quarz wird in vier Schritten ein Wafer: schmelzen, reinigen, Kristall ziehen, sägen. Der Wafer ist die dünne Siliziumscheibe, aus der später die Solarzelle entsteht. Der aufwendigste Teil ist die Reinigung, denn schon kleinste Mengen fremder Metalle stören den Stromfluss in der Zelle.

Im ersten Schritt entzieht Kohlenstoff dem Quarz den Sauerstoff. Das Rohsilizium, das dabei entsteht, ist laut PVEducation zu 98 Prozent rein und geht zum großen Teil in die Metallindustrie. Für Solarzellen ist es viel zu unsauber.

Die Reinigung läuft meist nach dem Siemens-Verfahren. Das gemahlene Rohsilizium reagiert bei 300 Grad mit Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan, einer Flüssigkeit, die sich wie Alkohol destillieren lässt. Danach wird das Trichlorsilan bei 1.100 Grad mit Wasserstoff wieder zu festem Silizium umgesetzt. Dieser Schritt dauert laut PVEducation rund 200 bis 300 Stunden. Am Ende liegt der Anteil elektrisch aktiver Fremdstoffe unter einem Teilchen auf eine Milliarde.

Monokristallin oder polykristallin?

Monokristallines Silizium besteht aus einem einzigen durchgehenden Kristall, polykristallines aus vielen kleinen. Der Unterschied entsteht beim Erstarren der Schmelze. Wird der Kristall langsam aus der Schmelze gezogen, ordnen sich alle Atome in einem einheitlichen Gitter. Lässt man die Schmelze in einer Form erstarren, wachsen viele Kristalle nebeneinander.

Die Grenzen zwischen diesen Kristallen heißen Korngrenzen, und sie kosten Leistung. PVEducation beschreibt zwei Effekte: An den Korngrenzen gehen freigesetzte Ladungen verloren, bevor sie als Strom abfließen, und die Grenzen behindern den Stromfluss. Dafür ist das Verfahren einfacher und deshalb günstiger.

Lange waren polykristalline Module die günstige Standardlösung. Laut US-Energieministerium wurden sie von monokristallinem Silizium abgelöst. Die Einzelheiten stehen in den Beiträgen zu monokristallinen Solarzellen und polykristallinen Solarzellen.

Auch innerhalb der monokristallinen Zellen gibt es Unterschiede. Das Ministerium nennt drei Bauweisen, die einander abgelöst haben: PERC, bei der die Rückseite der Zelle zusätzlich beschichtet ist, sowie TOPCon und Heterojunction mit noch verlustärmeren Kontakten. Alle drei bestehen aus demselben Grundstoff.

Wirkungsgrad und Lebensdauer von Silizium-Solarzellen

Module aus kristallinem Silizium wandeln in der Serienfertigung 20 bis 22 Prozent des Sonnenlichts in Strom um. Im Labor erreichen monokristalline Zellen unter idealen Bedingungen mehr als 27 Prozent. Beide Werte nennt das US-Energieministerium. Dass ein Modul weniger schafft als die beste Zelle, liegt an Rahmen, Zellabständen, Glas und Verschaltung. Den Unterschied erklären die Beiträge zu Zellwirkungsgrad und Modulwirkungsgrad.

Eine einzelne Siliziumschicht kann das Sonnenlicht grundsätzlich nicht vollständig nutzen. Lichtteilchen mit zu wenig Energie gehen ungenutzt hindurch, bei solchen mit zu viel Energie wird der Überschuss zu Wärme. Höhere Werte erreichen nur Zellen, die mehrere Materialien übereinanderstapeln.

Die zweite Stärke von Silizium ist die Haltbarkeit. Laut US-Energieministerium erreichen Module aus kristallinem Silizium eine Lebensdauer von 25 Jahren und mehr, bei einem Leistungsverlust von weniger als 1 Prozent pro Jahr. Diesen schleichenden Verlust nennt man Degradation. Bei Hitze liefern Siliziumzellen außerdem etwas weniger, das beschreibt der Temperaturkoeffizient.

Welche Alternativen zu Silizium gibt es?

Die wichtigsten Alternativen zu Silizium sind Dünnschichtzellen, Perowskit-Zellen, organische Solarzellen und Mehrfachzellen. Jede hat eine besondere Stärke, etwa geringes Gewicht oder Biegsamkeit. Keine verbindet bisher Wirkungsgrad, Haltbarkeit und Preis so gut wie kristallines Silizium.

Am nächsten an der Serienreife sind Zellen, die Silizium nicht ersetzen, sondern ergänzen. Bei einer Tandemzelle liegt eine dünne Perowskit-Schicht auf einer Siliziumzelle. Die obere Schicht nutzt das energiereiche blaue Licht, die untere das rote. Mehr dazu steht im Beitrag zu Perowskit-Solarzellen. Für besondere Einsatzorte gibt es Dünnschichtmodule und flexible Solarmodule.

Was heißt das für Ihren Modulkauf?

Für den Modulkauf heißt das: Die Frage nach dem Material ist entschieden, Sie bekommen in aller Regel monokristallines Silizium. Wichtiger als die Zellbezeichnung im Prospekt sind die Zahlen im Datenblatt. An ihnen lässt sich ablesen, was ein Modul auf Ihrem Dach leistet.

• Modulwirkungsgrad: Er zeigt, wie viel Leistung auf einen Quadratmeter passt. Das zählt vor allem bei kleinen Dächern.
• Temperaturkoeffizient: Je näher der Wert an null liegt, desto weniger verliert das Modul an heißen Sommertagen.
• Leistungsgarantie: Sie sagt, wie viel Leistung der Hersteller nach vielen Jahren noch zusichert. Vergleichen Sie Dauer und zugesicherten Restwert.
• Bauform: Bifaziale Module nutzen auch Licht, das auf die Rückseite fällt. Das lohnt sich bei heller Umgebung, etwa auf dem Flachdach.

Häufige Fragen zu Silizium

Fazit

Silizium ist aus gutem Grund das Standardmaterial der Photovoltaik. Der Rohstoff ist reichlich vorhanden, die Technik ausgereift, und die Module halten Jahrzehnte. Der Preis dafür ist eine aufwendige Reinigung, die viel Energie braucht.

Für Ihr Dach müssen Sie sich um das Material kaum Gedanken machen. Monokristalline Siliziummodule sind die übliche Wahl. Achten Sie beim Vergleich auf Wirkungsgrad, Temperaturkoeffizient und Garantie, und lassen Sie sich von neuen Zellnamen nicht verunsichern.

Quellen und Methodik

Stoffwerte, Herstellungsschritte und die Angaben zu Korngrenzen stammen aus dem Lehrwerk PVEducation von Christiana Honsberg und Stuart Bowden. Wirkungsgrade, Lebensdauer und die Einordnung der Alternativen stammen vom US-Energieministerium. Die Tabellen zu Kristallarten und Alternativen sind qualitative Einordnungen ohne eigene Messwerte. Solar.red hat keine Zellen gemessen.

1. PVEducation (Honsberg und Bowden): General Properties of Silicon - Bandlücke, Schmelzpunkt, Atomgewicht
2. PVEducation (Honsberg und Bowden): Refining Silicon - Gewinnung aus Quarz, Reinheit von Rohsilizium, Siemens-Verfahren
3. PVEducation (Honsberg und Bowden): Multi Crystalline Silicon - Korngrenzen, Kosten und Materialqualität
4. US-Energieministerium: Crystalline Silicon Photovoltaics Research - Wirkungsgrade, Lebensdauer, Zellbauweisen
5. US-Energieministerium: Solar Photovoltaic Cell Basics - Bandlücke, Alternativen zu Silizium