7. Mai 2011, Neue Zürcher Zeitung / NZZexecutive

Solarzellen – sauber, aber teuer

Errungenschaften der Technik

Errungenschaften der Technik - Solarzellen

Lucien F. Trueb

Genau wie den Transistor und die integrierte Schaltung verdanken wir die Solarzelle der Halbleitertechnik und dem mit grossem Abstand am häufigsten eingesetzen Halbleiter: Silizium. Ganz reines Silizium ist ein elektrischer Isolator, schon analytisch nicht mehr nachweisbare Verunreinigungen machen es zum Halbleiter. Um exakt massgeschneiderte Halbleiter-Eigenschaften zu erhalten, gibt man dem Silizium gezielt Verunreinigungen zu, was als Dotieren bezeichnet wird.

Funktionsweise

Dotiert man das chemisch vierwertige Silizium mit dreiwertigem Bor, so erhält man aufgrund des Überschusses positiver Ladungsträger (sog. Löcher) im Kristallgitter die sog. p-Leitung. Dotiert man mit einem fünfwertigen Element wie Phosphor oder Arsen, so erhält das Silizium einen Überschuss negativer Ladungsträger (Elektronen), es wird n-leitend. Interessant wird es, wenn man durch Diffusion oder Ionen-Implantation von Dotierungselementen beider Arten einen sog. p-n-Übergang schafft, wo die p-Leitung scharf zur n-Leitung übergeht. Solche Übergänge sind die Grundbedingung für die Herstellung von Transistoren und Solarzellen.

Licht erzeugt Ladungspaare

Im Fall der Solarzelle nutzt man die Tatsache, dass Licht in Halbleitern Ladungspaare erzeugen kann, mit je einem negativen beziehungsweise einem positiven Ladungsträger. Geraten solche Ladungspaare in die Nähe des pn-Übergangs, so werden die positiven Ladungsträger zur n-Region gezogen, die negativen zur p-Region. Die Ladungen werden also getrennt, die elektrische Spannung am pn-Übergang ändert sich. Sind auf beiden Seiten des pn-Übergangs gut leitende Elektroden vorhanden, haben wir bereits eine funktionierende Solarzelle. Denn nun können die vom Licht mobilisierten Elektronen über einen externen Verbraucher (Lampe, Motor und dergleichen) unter Arbeitsleistung zur p-Seite fliessen, wo sie positive Ladungsträger neutralisieren.

Wirkungsgrad

Silizium-Solarzellen sprechen auf das gesamte Lichtspektrum an, vom Ultraviolett bis zum Infrarot. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Licht in elektrische Energie hängt stark von der Dichte der Fehlstellen im Kristallgitter ab, wo die Ladungsträgerpaare rekombinieren können. Man bringt darum den pn-Übergang möglichst nahe zur lichtexponierten Oberfläche. Mit ultrareinem, monokristallinem (und sehr kostspieligem) Silizium erreicht man einen Wirkungsgrad von 20 Prozent, doch zieht man ihm meist das fehlstellenreiche, aber viel billigere polykristalline Silizium vor (der Wirkungsgrad liegt bei 16 Prozent) beziehungsweise das amorphe Silizium (mit einem Wirkungsgrad von 5 bis 7 Prozent) in der Form von Dünnschichtzellen. Den geringeren Wirkungsgrad nimmt man in Kauf, um eine optimale Wirtschaftlichkeit zu erzielen.

Für die Elektrizitätserzeugung in grösseren Photovoltaik-Anlagen sind die polykristallinen Silizium-Solarzellen am weitesten verbreitet. Exotische Halbleiter auf der Basis der Elemente Indium, Gallium, Selen und Tellur haben keine Zukunft. Diese sind so selten, dass die Produktion mit dem Verbrauch zum Teil schon heute nicht mehr mithalten kann. Schon in den nächsten Jahren muss man mit einer massiven Verteuerung rechnen.

Ungünstige CO 2 -Bilanz

Die spektakulären Vorteile der Silizium-Solarzelle müssen mit handfesten Nachteilen erkauft werden. Silizium ist zwar das zweithäufigste Element in der Erdkruste, doch um es in der erforderlichen Reinheit zu produzieren, muss sehr viel Energie investiert werden: etwa 100 Kilowattstunden pro Kilogramm. Entsprechend schlecht ist die CO 2 -Bilanz; auch wird die investierte Energie erst in zwei bis fünf Jahren amortisiert.

Geringe Verfügbarkeit

Der inhärente Nachteil des Solarstroms ist neben seinem hohen Preis (50 bis 90 Rappen pro Kilowattstunde) die geringe Verfügbarkeit, verbunden mit starken, kurzfristigen Schwankungen. Um eine zuverlässige Versorgung zu gewährleisten, muss eine sofort zuschaltbare Reservekapazität (meist in der Form von Gaskraftwerken) verfügbar sein. Solarstrom ist demzufolge wirtschaftlich und technisch nur dort sinnvoll, wo kein preiswerter Netzanschluss verfügbar ist.

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