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Abb. 15: Grenzen des Solarzellenwirkungsgrades (c-Si).
© Willeke, Fraunhofer ISE
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Verlustmechanismen begrenzen den Wirkungsgrad

Warum erreichen viele kristalline Silizium-Solarzellen bei der Umwandlung solarer Strahlung in nutzbare elektrische Leistung ‚nur’ einen Wirkungsgrad von 16%, daraus hergestellte Solarmodule ‚nur’ 14%? Wo liegen die physikalischen und technologischen Grenzen dieses Wirkungsgrades?

Damit Licht in elektrischen Strom umgewandelt wird, muss es in eine Solarzelle eindringen. Diese besteht aus einem Halbleitermaterial, welches eine charakteristische Bandlücke der Energie Eg zwischen den besetzten und unbesetzten elektronischen Zuständen aufweist. Bei kristallinem Silizium beträgt die Energie der Bandlücke etwa 1,1eV, was einer charakteristischen Lichtwellenlänge von 1,1 μm entspricht. Längerwelliges infrarotes Licht wird durch den Halbleiter durchgelassen, kurzwelligeres Licht wird absorbiert.

Verschiedene Verlustmechanismen schmälern die Ausbeute an elektrischer Energie. Bei der Absorption eines Lichtteilchens (Photons) wird aus dem negativ geladenen Elektron und dem positiv geladenen Loch ein sogenanntes Elektron-Loch-Paar erzeugt. Bei hochenergetischem kurzwelligem Licht wird die überschüssige Energie hυ-Eg in Form von Wärme an das Kristallgitter abgegeben. Dabei gehen bereits etwa 30% der Lichtenergie für die Stromgewinnung verloren (1), ebenso die Energie der nicht absorbierten langwelligen Photonen des Sonnenspektrums (2). In der Solarzelle wird durch Ladungstrennung der lichtgenerierten Elektron-Lochpaare eine offene Klemmenspannung Voc generiert, die wiederum kleiner ist als die Bandlückenspannung Eg/q (3). Die Solarzelle besitzt eine exponentielle Strom-Spannungscharakteristik – dadurch ist die maximal generierbare elektrische Leistungsdichte Vmppjmpp kleiner als das Produkt aus offener Klemmenspannung und Kurzschlussstromdichte jsc (4). In den n- und p-dotierten Bereichen findet eine Auger-Rekombination statt (5), bei der Elektron-Loch-Paare vernichtet werden. Diese fünf fundamentalen Verlustmechanismen führen dazu, dass der theoretisch maximale Wirkungsgrad einer idealen c-Si-Solarzelle bei 29% liegt. Die Oberflächen realer Solarzellen stellen eine abrupte Störung des Kristallgitters dar; das bewirkt rekombinationsaktive elektronische Zustände in der Bandlücke. Im realen Kristall kommen außerdem technologiebedingte mikroskopische Kristalldefekte und Verunreinigungen vor - es kommt zur Rekombination von Elektron-Loch-Paaren (6). Diese Volumenrekombination ist in multikristallinem Silizium viel stärker als in monokristallinem; dies reduziert bei einer typischen Industriesolarzelle den Wirkungsgrad auf 17 – 18%. Optische Reflexionsverluste aufgrund nicht optimaler Lichteinkopplung (7) und elektrische Leitungsverluste in der Solarzelle (8) führen dann zu einem Zellwirkungsgrad von etwa 16%. Weitere Verluste entstehen durch die Serienverschaltung und Verkapselung der Solarzellen im Modul; so erreicht der Modulwirkungsgrad etwa 14%. Die besten kleinflächigen c-Si-Solarzellen erreichen derzeit 25%, etwa 26% scheinen machbar: langfristig kann mit einem Modulwirkungsgrad von etwa 24% gerechnet werden. Weitere Steigerungen werden durch Lichtkonzentration (3) möglich, erforscht werden noch die Manipulation des Lichtspektrums (1) und (2) und die Einführung von geeigneten Heterojunctions (5).

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