Der wichtigste Bestandteil jeder mobilen Solaranlage oder jedes Solarkoffers sind die Solarzellen. Grundherstellungsstoff für Solarzellen ist das kristalline Silicium. Dieses chemische Element ist für den menschlichen ungiftig und in gebundener silicatischer Form sogar wichtig für den Menschen. Unser Körper enthält in etwas 20 mg/kg Gewicht Silicium.

Unser gesamter Planet besteht in etwas zu 15 Massenprozent aus Silicium. Die Kruste der Erde besteht zu etwas 25,8 Gewichtsprozent aus Silicium. Das Halbmetall ist somit neben Sauerstoff das zweit häufigste Element auf der Erde.

Entstehung und Funktionsweise einer Solarzelle

Vom Sand zum Silizium

Der Ausgangsstoff Silicium ist der Ursprung des Produktionskreislaufes einer Solarzelle. Dieser Stoff wird aus Quarzsand gewonnen, und ist sehr häufig auf unserer Erde zu finden. Der Quarzsand wird mittels einer elektrothermischen Reaktion zu Rohsilizium umgesetzt, für diesen Prozess wird Kohlenstoff zur Hilfe genommen. Durch die Oxidation des Kohlenstoffes werden die Sauerstoffmoleküle abgetrennt. Für diesen Prozess sind enorme Temperaturen von ca. 1800 Grad Celsius notwendig. Aus diesem Grund wird dieser Herstellungsprozess oftmals an Standorte verlegt, welche mit geringen Energiekosten aufwarten können. Das Endprodukt dieser Schrittes ist das Rohsilizium was zu diesem Zeitpunkt eine Verunreinigung von ca. 1 % aufweißt.

Übersicht Herstellung Silizium

  1. Quarzsand abbauen
  2. Quarzsand zu Rohsilizium verarbeiten durch elektrothermischen Reaktion
  3. Gewinnung Reinsilizium aus Rohsilizium

Die Endprodukte die aus dem Silizium gewonnen werden können und zur Weiterverarbeitung zu Verfügung stehen können in diese verschiedenen Varianten unterteilt werden:

  • monokristallinem Silizium
  • polykristallines Silizium

Solarwafer

Bevor Produkte wie beispielsweise Solarkoffer hergestellt werden können folgt der zweite Produktionsschritt, die Herstellung der Solarwafer. In diesem wird bei 1410 Grad Celsius das hochreine Silizium aufgeschmolzen und im Anschluss zu Blöcken erstarrt. Diese Blöcke werden in der Weitervarbeitung in Säulen mit quadratischer Grundform zersägt. Die so entstandenen Blöcke werden im nächsten Schritt in Säulen mit quadratischer Grundform zersägt. Dies geschieht mit Innenloch-Diamantsägen oder Vielfach-Drahtsägen. Die Dicke des Wafer beträgt dann ca. 0,18 mm. Die Sägekanten der Siliziumscheiben werden nun abgerundet um etwaige spätere Ausbrüche des harten aber sehr spröden Siliziums zu verhindern. Für eine homogene und plane Obefläche werden die Siliziumscheiben mit sehr feinem Diamtantschleifscheiben geschliffen. Eine fehlerfreie Oberfläche wird durch das wegätzen eventueller Oberflächendefekte erreicht. Zur Erreichung des Endprodukts wird der Wafer nun in Reinräumen mit Reinwasser gesäubert und aufpoliert.

Übersicht Herstellung Solarwafer

  1. Silizium wird bei 1410 aufgeschmolzen und zu Blöcken erstarrt
  2. Blöcke in 0,18 mm dünne Siliziumschreiben (Wafer) sägen
  3. Abrunden der Sägekanten
  4. Bearbeitung der Oberfläche für homogenes Erzeugnis
  5. Reinigung des Wafers
  6. Endkontrolle

Ergebnis

Das im zweiten Herstellungsschritt erzeugt Produkt sind mono- und polykristallinie Wafer. Diese bilden die Basis für die Produktion von Solarzellen.

Solarzelle

Prinzipiell besteht eine Solarzelle aus zwei Schichten Silizium, an deren Grenzflächen sich ein elektrisches Feld bildet. Zwischen den Siliziumschichten sind Metallkontakte angebracht. Bei Lichteinstrahlung bewirken physikalische Vorgänge, dass sich zwischen den Metallkontakten elektrischer Strom fließt. Die Herstellung der Solarzellen stellen die dritte Fertigungsstufe dar.

Die Wafer werden mittels Phosphordiffusion bearbeitet wodurch ein p/n Übergang geschaffen wird. Dadurch wird der Wafer zu einer leitfähigen Solarzelle. Eine Phosphorglasschicht welche durch die Diffusion entstanden ist, wird im Folgeprozess entfernt. Im Anschluss wird eine Antireflexionsschicht aufgetragen die dafür sorgt das die optischen Eigenschaften der Solarzelle verbessert werden. Im vorletzten Arbeitsschritt werden Metallkontakte auf der Vorder- sowie Rückseite aufgebracht.

Im letzten Arbeitsschritt werden die einzelnen Solarzellen auf ihre Qualität getestet sowie der elektrische Wirkungsgrad gemessen.

Übersicht Herstellung Solarzellen

  1. Phosphordiffusion, Herstellung p/n Übergang
  2. Entfernung Phosphorglasschicht
  3. Anbringung Antireflexionsschicht
  4. Metallkontakte implementieren
  5. Endkontrolle und Wirkungsgradmessung

Solarzellentypen

Es kann zwischen 5 Solarzellenvarianten unterschieden werden, wir stellen diese hier vor und gehen kurz auf ihre Eigenschaften ein.

Monokristalline Solarzellen

Diese Solarzellen haben eine sehr homogene Oberfläche und wurden aus einkristallinen Siliziumscheiben hergestellt. In der Herstellung sind die monokristallinen Solarzellen sehr teuer.

Polykristalline Solarzellen

Auch die polykristallinen Solarzellen bestehen aus Wafern. Im unterschied zu den monokristallinen Solarzellen weisen diese jedoch nicht die gleiche Kristallorientierung auf. Die Herstellung dieser Solarzellenvariante kann beispielsweise über das Gießverfahren erfolgen. Die Herstellung der polykristallinen Solarzellen ist wesentliche günstiger, weshalb diese wohl auch am häufigsten in Solaranlagen zum Einsatz kommen.

Amorphe Solarzellen (Dünnschichtzellen)

Die amorphen Solarzellen bestehen aus einer nichtkristallinen Siliziumschicht. Diese Schicht wird in den meisten durch ein Aufdampfen auf einen Glasträger hergestellt. Die Dünnschichtzellen sind im Vergleich zu den kristallieren Solarzellen äußerst dünn (etwa um den Faktor 1000). Die aufgedampften oder aufgesprühten Siliziumschichten haben meist eine Dicke von weniger als 1  µm.

Die Produktion von Dünnschicht-Solarzellen ist deutlich günstiger als bei kristallinen Zellen. Allerdings ist der Wirkungsgrad bei direkter Sonneneinstrahlung nicht so gut wie der kristalliner Solarzellen.

Herstellungsprozess Solarzellen

Ein wirklich gutes Video zum Thema Solarzellen und deren Herstellung haben wir euch hier verlinkt. Viel Spaß beim Anschauen.

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Der wichtigste Bestandteil jeder mobilen Solaranlage oder jedes Solarkoffers sind die Solarzellen. Grundherstellungsstoff für Solarzellen ist das kristalline Silicium. Dieses chemische Element ist für den menschlichen ungiftig und in gebundener silicatischer Form sogar wichtig für den Menschen. Unser Körper enthält in etwas 20 mg/kg Gewicht Silicium. Unser gesamter Planet besteht...