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Photovoltaik Grundlagen Teil 2

Photovoltaik-Park

Willkommen zum zweiten Teil meiner Photovoltaik-Blogreihe. Im ersten Teil ging es um die Entdeckung und die grundlegende Funktion einer Photovoltaikzelle. Falls du ihn noch nicht gelesen hast kannst du hier einen Blick reinwerfen. Dieser Artikel bildet den Teil 2 zu den Photovoltaik-Grundlagen und behandelt folgende Themen:

Photovoltaik-Park
Großanlage eines Industriegebietes

Inhalt

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Weiterentwicklung der Zellen

Wie bei der Entdeckung des photovoltaischen Effektes, ist Silizium auch heute noch das Halbleiterelement, welches bei der Fertigung moderner Photovoltaikzellen zum Einsatz kommt. Zum einen ist es relativ leicht Herzustellen und zum anderen lassen sich mit Silizium die besseren Wirkungsgrade erzielen.
Die erste Anwendung von Solarzellen fand übrigens im Telekommunikationssektor statt. Die Firma Bell Laboratories, heute AT&T, entwickelte um 1953 eine der ersten Solarzellen, die für einen ernsthaften Einsatz taugte. Das entwickelte Modul hatte einen Wirkungsgrad von 4%, zum Vergleich: heutige Module liegen bei 10 bis 22%. Es wurde um 1955 in Telefonverstärkern eingesetzt. Seitdem ist die Weiterentwicklung immer weiter voran gegangen. Verbesserungen in punkto Wirkungsgrad und kosteneffiziente Herstellung waren nur einige Errungenschaften der letzten Jahren. Werfen wir einen kurzen Blick auf die Herstellung.

Herstellung von Siliziumzellen

Der zur Herstellung benötigte Ausgangsstoff ist Quarzsand. Durch das Reduktionsverfahren im Schmelzofen wird durch die Zugabe von Kohlenstoff aus Siliziumdioxid das sogenannte industrielle Rohsilizium gewonnen.

Kurze Reise in die Chemie der 8. Klasse: unter Reduktion versteht man einen chemischen Prozess bei dem ein Stoff durch die Zugabe eines anderen Stoffes reagiert und seine Struktur durch die Abgabe von Sauerstoff verändert. In unserem Fall wird aus Siliziumdioxid durch die Zugabe von Kohlenstoff und Hitze Silizium weil der zugeführte Kohlenstoff mit dem Sauerstoff im Siliziumdioxid zu Kohlendioxid reagiert. Übrig bleibt das Rohsilizium.

Unser Rohsilizium weißt jetzt schon eine Reinheit von 98 bis 99% auf. Da aber für den Einsatz in Solarzellen eine Reinheit von über 99,99% benötigt wird, wird das Rohsilizium zu sogenannten Solarsilizium weiterverarbeitet. Die dabei verwendeten Verfahren sind so umfangreich, das sie zu erläutern den Rahmen dieses Beitrages sprengen würde. Daher sei es an dieser Stelle nur erwähnt.

Interessanter sind die bei der Herstellung entstehende Zusammensetzungen. So gibt es bei Silizium drei verschiedene Stoffarten: monokristallin, polykristallin und amorph.
Monokristalline, oder auch Einkristalle genannt, zeichnen sich durch eine einheitliche homogene Struktur aus.
Polykristalline bestehen aus vielen einzelnen Kristallen und weisen daher eine gitterförmige Struktur auf. Diese Struktur ist je nach Korngröße mit dem bloßen Augen erkennbar.
Amorphes Silizium besitzt keine Kristallstruktur und weißt daher eine gewisse Viskosität und Verformbarkeit auf.

Diese drei unterscheiden sich zudem auch in den Herstellungskosten und den Wirkungsgraden die sie erzielen können. Sie sind für heutige Solarzellen die gebräuchlichsten Ausgangsstoffe. Sie werden zu dünnen Scheiben, sogenannte Wafern, verarbeitet und können nun den nächsten Produktionsschritt durchlaufen: die Dotierung.

Das Dotierungsverfahren

Wie in meinem ersten Artikel erklärt müssen die Siliziumscheiben dotiert werden, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen und die Funktionsweise zu verbessern. Dabei stehen zwei Verfahren im Vordergrund. Zum einen die Diffusion und zum anderen die Implantation.

Bevor ich auf die Verfahren weiter eingehe, sei erwähnt, dass bei dem Dotierungsverfahren moderner Silizium-Wafer, nur noch eine Dotierung vorgenommen wird. Die Wafer werden schon bei der Herstellung vordotiert und weisen jetzt schon einen Elektronenüberschuss oder -Mangel auf. Ist der Siliziumblock durch die Zugabe von Bor-Atomen vordotiert, entsteht ein Elektronenmangel und der Block ist p-dotiert. Somit muss bei der Weiterverarbeitung nur noch die n-Dotierung aufgetragen werden. Dieses Verfahren steckt hinter den Bezeichnungen von P-Type und N-Type Modulen.

Übersicht über die atomare Struktur von dotiertem Silizium, links durch Zugabe von Phosphor n-dotiert, da ein Elektron mehr auf der Außenhülle; rechts durch Zugabe von Bor p-dotiert, da ein Elektron weniger auf der Außenhülle

Bei der Diffusion werden die Siliziumscheiben in eine Gasatmosphäre gebracht. Die Gasmischung weißt die zur Dotierung notwendigen Atome auf. Durch die Zugabe von Hitze wird die Aufnahme der Atome verbessert. Leider ist bei diesem Verfahren die Aufnahme der Atome nicht gut steuerbar und die meisten Atome dringen nicht tief genug ins Silizium ein, sodass die größte Konzentration auf der Oberfläche besteht. Dafür ist sie kostengünstig.

Bei der Implantation werden Ionen des Dotier-Atoms durch ein elektrisches Feld beschleunigt und in die Siliziumscheibe gelenkt. Durch die zuvor starke Beschleunigung dringen sie in die Scheibe ein und verdrängen Siliziumatome aus der Struktur und nehmen so deren Platz ein. Da dies nicht ohne Spuren bleibt und die Kristallstruktur zerstört wird, muss die Scheibe im Anschluss wieder erwärmt werden, sodass sich die Struktur wieder erholen kann und zusammenzieht. Diese Verfahren ist im Vergleich zur Diffusion deutlich teurer, aber es gleicht die Nachteile der Diffusion aus.

Die Wafer-Scheibe weißt nun auf der Vorderseite eine n-Dotierung und auf der Rückseite eine p-Dotierung auf. Im Inneren hat sich der p-n-Übergang gebildet und die Ladungsunterschiede haben sich ausgeglichen.
Nun können unsere dotierten Siliziumscheiben zusammengesetzt werden. Sie werden mit Anschlüssen versehen und sind jetzt schon in der Lage durch Lichteinstrahlung eine Spannung zu erzeugen.

Aufbau zum Solarpanel

Da eine einzelne Zelle aber nicht in der Lage ist genug Leistung zu generieren, um z.B. nennenswerte Entlastungen im Eigenbedarf zu decken, musste eine Konstruktion her die dies ermöglicht.

Die einfachste Methode dabei ist die Reihen- und/oder Parallelschaltung von Spannungsquellen, je nach Anforderungen. Und so ist auch ein fertiges Solarpanel aufgebaut. Jede einzelne Photovoltaikzelle wird mit den Anschlüssen in Reihe zu der nächsten geschaltet (siehe Detailbild!). Je nach Anzahl der verschalteten Zellen können Spannungen zwischen 18 und 80 Volt entstehen.

Zellenverbindung
Im Detailbild schön zu sehen wie die Unterseite der linken Zelle mit der Oberseite der rechten Zelle verbunden ist

Als Beispiel möchte ich auf ein Modul eingehen, welches sich bei mir im Einsatz befindet. Es ist das Modul JW-D72N-410 der Firma Jollywood. Wie auf dem Foto gezeigt sind 72 Zellen in Reihe geschalten und erzeugen eine Leerlaufspannung von 50,4 Volt und eine Betriebsspannung von 42,1 Volt bei einem Betriebsstrom von 9,74 Ampere. Der maximale Kurzschlussstrom beträgt 10,24 Ampere. Das Jollywood-Modul besteht aus monokristallinen Silizium, das im N-Type Verfahren hergestellt wurde, und soll laut Datenblatt einen Wirkungsgrad von 20,66% haben.

Multipliziert man den Betriebsstrom und die Betriebsspannung miteinander erhält man die maximale Leistung Pmax, die das Modul erzeugen kann. Bei diesem Modul 410 Watt. Um diese Leistung weiter zu erhöhen, können ganze Module ebenfalls in Reihe geschaltet.

Hierbei aber eine Warnung: Durch die weitere Verschaltung in Reihe, addieren sich die Spannungen der Module auf. Sehr schnell ist ein Spannungsbereich vorhanden der die höchstzulässige Berührungsspannung übersteigt. Bei Gleichstromkreisen beträgt die Grenze 120 Volt DC. Dieser Wert wäre bei dem genannten Modul schon bei 3 verschalteten Modulen überschritten.

Photovoltaik Modul

Bei Kleinanlagen im Bereich 300-600 Watt ist dies nicht relevant da dort größtenteils die PV-Module direkt und unverschaltet angeschlossen werden. Bei größere Wechselrichtern, ab 1000 Watt aufwärts, muss man allerdings seine PV-Module in Reihe verschaltet anschließen, da manche Wechselrichter erst ab 80-100 Volt Betriebsspannung mit der Produktion beginnen können. Große Freiland-Analgen arbeiten im Gleichspannungsteil sogar bis zu 1000 Volt.

Zusammenfassung

An dieser Stelle soll es erstmal gut sein mit Grundlagen. Es ging doch etwas tiefer in die Materie wie von mir zu Beginn geplant. Aber ich hoffe ich konnte dir einen guten und verständlichen Überblick über die Entdeckung, den Aufbau, die Funktionsweise und die Entwicklung von Photovoltaikzellen geben. Da man aber mit Phovoltaikmodulen allein noch etwas unfelxibel ist in der Anwendung, möchte ich in meinen nächsten Artikel auf die Möglichkeiten den erzeugten Strom zu nutzen eingehen.

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