In Module gepackte Solarzellen produzieren aus Sonnenlicht Strom. Doch wie werden Solarzellen produziert? Am Anfang steht die Gewinnung von Rohsilizium aus Sand. Doch dessen Reinheit reicht noch nicht aus.
Bis aus Quarzsand Solarzellen werden, sind einige Arbeitsschritte vonnöten.
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Solarzellen auf Siliziumbasis dominieren mit mehr als 85 % Anteil den Photovoltaik-Markt. Abgesehen von den gut etablierten Herstellungsverfahren ist ein weiterer Grund der Reichtum an Silizium als Siliziumoxid – Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Gewonnen wird es meist aus Quarzsand.
Quarzsand besteht chemisch betrachtet aus reinem Siliziumdioxid. Um daraus Silizium zu extrahieren, müssen die Sauerstoffatome durch hohe Temperaturen abgeschieden werden. Der hierfür notwendige Prozess ist die Reduktion. Durchgeführt wird die Reduktion oft in einem Lichtbogenofen, bei Temperaturen um die 2000 °C. Das Endprodukt ist industrielles Rohsilizium mit einer Reinheit von 98 bis 99 %.
Von Rohsilizium zu multikristallinen Solarsilizium
Um Solarzellen herzustellen, muss das Rohsilizium weiter gereinigt werden, oft geschieht das durch das sogenannte Siemens-Verfahren. Dabei wird das Rohsilizium mit Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan umgewandelt und dann destilliert. Bei Temperaturen von 1000 bis 1200 °C wird das Silizium in langen Stäben ausgeschieden. Das resultierende multikristalline Solarsilizium hat eine Reinheit von über 99,99 %.
Von multikristallinen Solarsilizium zu monokristallinem Silizium
Zur Herstellung von Halbleitersilizium für monokristalline Solarzellen wird das Silizium erneut geschmolzen. Beim sogenannten Tiegelziehen nach Czochralski wird ein Kristallkeim in einen Tiegel mit Siliziumschmelze getaucht und langsam nach oben gezogen. Das flüssige Silizium lagert sich dabei an den Kristall an. So entsteht ein langer, runder Siliziumstab, dessen Kristalle sich in eine Richtung ausrichten. Das Ergebnis ist monokristallines Silizium, das Reinheiten von über 99,9999 % aufweist.
Von Siliziumstäben zu Wafern
Die Siliziumstäbe werden im nächsten Schritt durch Drahtsägen in dünne Wafer geschnitten. Alternativ können zwei dünne Drähte durch flüssige Siliziumschmelze gezogen werden, um die Wafer zu erzeugen. Durch Einwirkung von Säure können Sägespuren entfernt und die Oberfläche geglättet werden. Früher waren Siliziumwafer zwischen 0,3 und 0,4 mm dünn, heute sind es mitunter deutlich weniger als 0,2 mm. Das spart Material und Kosten, allerdings gilt: Umso dünner die Wafer, umso zerbrechlicher.
Elektrische Spannung durch p- und n-Schicht
Die fertigen Wafer werden gasförmigen Dotierungsmitteln ausgesetzt, um sogenannte p- und n-Schichten zu erzeugen. Die p- und die n-Schicht sind durch eine Übergangsschicht, den p-n-Übergang, voneinander getrennt. Um den photovoltaischen Effekt zur Stromerzeugung zu nutzen, ist die n-Schicht mit Phosphor-Atomen dotiert und weist somit einen Überschuss an Elektronen auf.
Die p-Schicht hingegen ist mit Bor-Atomen dotiert und hat einen Mangel an Elektronen. Wenn Licht auf die Solarzelle fällt, werden die überschüssigen Elektronen aus der n-Schicht freigesetzt und wandern zur p-Schicht, was elektrische Spannung erzeugt. Anschließend kehren die Elektronen zurück in die n-Schicht.
Dunkelblaue Farbe durch Siliziumnitrid
Eine transparente Antireflexschicht aus Siliziumnitrid verleiht der Solarzelle ihre dunkelblaue Farbe und reduziert Reflexionsverluste. Front- und Rückseitenkontakte werden per Siebdruck aufgebracht. Einige Hersteller vergraben die lichtundurchlässigen Frontkontakte unter der Oberfläche oder versuchen, sie auf die Rückseite zu verlegen, um Verluste zu verringern, was jedoch den Herstellungsaufwand und die Kosten erhöht. Die fertigen Zellen werden getestet und nach Leistungsklassen sortiert, bevor sie zu Photovoltaikmodulen weiterverarbeitet werden.