Photovoltaik

Der Zeitrahmen und Umfang des Einsatzes stromerzeugender, d.h. photovoltai- scher Solarzellen wird durch den wissenschaftlichen Fortschritt sowie die zum Teil damit verknüpften wirtschaftlichen Bedingungen bestimmt. Im Bereich der Forschung bedeutet dies (i) die Weiterentwicklung existierender Systeme hinsichtlich Erhöhung des Wirkungsgrades, der Langzeit-Stabilität und die Senkung der Herstellungskosten; (ii) intensive Forschung zur Einführung alternativer Halbleiter, um neue aussichtsreiche Materialien bereitzustellen; (iii) die Verbesserung bestehender Halbleiterstrukturen z.B. hinsichtlich ihrer Grenzflächeneigenschaften in Halbleiterheteroübergängen sowie die Entwicklung neuer Strukturen. Bei den Materialien für die Photovoltaik kommt die gesamte Breite von Möglichkeiten in Betracht: von klassischem kristallinen Silizium über amorphe und sog. nanokristalline Materialien bis zu photoempfindlichen Polymeren und kolloidalen Halbleiterteilchen. Auf diesem Gebiet ist eine breite Grundlagenforschung unbedingt erforderlich, um Kandidaten für terrestrische Anwendungen zu identifizieren. Besonders wichtig in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung mit Sonnenlicht sind die für die Herstellung des jeweiligen Halbleitermaterials zur Verfügung stehenden Präparationsverfahren. Sie sollten möglichst kostengünstig sein. Daher werden Verfahren wie z.B. die Molekularstrahlepitaxie (MBE: raolecular 6eam epitaxy) für weiterreichende Anwendungen wegen der Herstellungsbedingungen (Ultrahochvakuum) und der recht langsamen Abscheidungsrate weniger in Betracht gezogen werden.

In diesem Abschnitt werden die Grundzüge energieumwandelnder Prozesse bei der Belichtung von Halbleitern dargestellt. Das Charakteristische von Photo- elektrokatalyse, -elektrosynthese und photovoltaische Energieumwandlung wird veranschaulicht, wodurch ein Vergleich der Vorgänge ermöglicht werden soll, der auch die Unterschiede deutlich werden läßt. Das gemeinsame Prinzip Energieumwandlung, basierend auf der Erzeugung gleichrichtender Halbleiterkontakte, wird sowohl für die photoelektrochemischen als auch für die -voltaischen Punktionsweisen beschrieben. Die katalytische und synthetische Erzeugung von Brennstoffen wird im Rahmen dieses Buches, das die photovoltaische Energieumwandlung zum Thema hat, nicht weiter behandelt.

Photoeffekte an Festkörpern sind bekannt seit der Arbeit von Becquerel im Jahre 1839. Gegen Ende des letzten Jahrhunderts wurde bereits die Lichtempfindlichkeit von Selen gezeigt. Ausschlaggebend für die Entwicklung von Solarzellen war jedoch vermutlich die Entwicklung des Transistors 1947 bei Bell Laboratories. Hierzu war die Herstellung gleichrichtender Kontakte in Silizium notwendig. Die entsprechende Technologie stand damit für die Entwicklung von Solarzellen im Prinzip zur Verfügung. 1953 entwickelten Chapin, Fuller und Pearson — ebenfalls bei Bell Labs — eine Solarzelle aus kristallinem Si mit diffundiertem p-n-Übergang. Die Solarzelle erreichte einen Wirkungsgrad von 4%, war jedoch beschränkt durch Diffusionsprobleme in Zusammenhang mit der Li-Dotierung des entarteten n-Halbleiters. Durch Wahl eines anderen Dotierstoffes konnte der Wirkungsgrad 1954 auf 6% verbessert werden. In den 50er Jahren wurde wegen der allseits verfügbaren fossilen Energieträger einer Energiegewinnung aus Solarzellen für terrestrische Anwendungen wenig Bedeutung beigemessen.

Bei der Suche nach Alternativen zu Solarzellen aus kristallinem Silizium wurde bereits frühzeitig eine Reihe von höher absorbierenden Halbleitern auf ihre Eignung als Solarzellenmaterial hin untersucht. Dabei stand zunächst der Einsatz in der Raumfahrt im Vordergrund. Bedingt durch die große Vielfalt an Materialien sind diese Forschungen und Entwicklungen durch eine Hetero- genität gekennzeichnet, die sich auch in diesem Kapitel widerspiegelt. Bereits in den 60er Jahren existierten einerseits funktionierende Systeme (z.B. CdTe, Cu_xS/CdS), andererseits wurden die Voraussetzungen für die Entwicklung neuartiger Dünnschichtsolarzellen (z.B. amorphes Silizium, GaAs) gelegt (Glimmentladung, Entwicklung der UHV-Technik). Auf diesem Gebiet haben die Ölkrisen zu einer deutlichen Intensivierung der Entwicklungsarbeiten geführt. Aus diesen Bemühungen resultieren mehrere in den 80er Jahren vorgestellte effiziente Systeme, die in den Abschnitten 4.3-4.7 behandelt werden. Ihnen ist gemeinsam, daß sie bereits industriell hergestellt werden. Trotz der z.T. sehr großen Unterschiede zwischen den Materialien und Systemen läßt sich ihre Entwicklung offenbar auf einer Abwägung von Herstellbarkeit, Verfügbarkeit der Ausgangsmaterialien, Ungiftigkeit und Wirkungsgrad zurückführen.

Die Verwirklichung von stromerzeugenden Solarzellen, bei denen Halbleiter-Elektrolyt-Kontakte verwendet werden, geht auf Arbeiten zur Photoelektrochemie zu Beginn der 60er Jahre zurück. Zunächst wurden die grundlegenden Eigenschaften des Ladungsaustausches zwischen Halbleitern und sog. Redox-Elektrolyten, die aus umladbaren Spezies in Lösung bestanden (daher der Name Redox: für Reduktion-Oxidation), untersucht und theoretisch beschrieben.

Dieses Kapitel befaßt sich mit den Möglichkeiten, die Leistung von Solarzellen zu erhöhen. Als eine wesentliche Ursache für die Begrenzung des maximal möglichen Wirkungsgrades ist in Abschn. 2.3.1 die Thermalisierung lichterzeugter Ladungsträger genannt worden. Durch Kombination von Halbleitern unterschiedlicher Bandlücke lassen sich diese Verluste bis zu einem gewissen Grad vermeiden. Der folgende Abschn. 6.1 befaßt sich mit Konzepten und Realisierungen dieser sog. Tandem-Solarzellen.

In diesem Kapitel werden Überlegungen angestellt, welche Entwicklungsmöglichkeiten in der Photovoltaik zur Zeit gesehen werden. Dabei wird zum einen auf die Entwicklung neuer Materiahen und die Modifizierimg und Weiterentwicklung bekannter Halbleiter eingegangen, zum anderen werden alternative, kostengünstige Herstellungsverfahren angesprochen. Die Auswahl und die Darstellungsweise ist in diesem Kapitel naturgemäß besonders subjektiv.