Solarzellen: Entwicklungen beim Wirkungsgrad

Die Wirkungsgrade von Solarzellen verbessern sich seit Jahren nur in kleinen Schritten. Für Zellen aus polykristallinem Silizium ist die 20-Prozent-Marke noch immer unerreichbar. Monokristalline Zellen schaffen diese Hürde zwar mittlerweile, aber nur um den Preis deutlich höherer Herstellungskosten.

Entwicklungen im Schneckentempo

Wirklich vorwerfen kann man den Wissenschaftlern und Ingenieuren das Schneckentempo aus zwei Gründen aber nicht. Erstens sind die rund 20 Prozent, die bislang erreicht werden, besser als sie klingen. Silizium nutzt nur kurzwellige Teile des Lichtspektrums, der Wirkungsgrad ist aber definiert als das Verhältnis der elektrischen Leistung zur gesamten einfallenden Strahlungsleistung. Mehr 70 Prozent der Strahlungsleistung können aus physikalischen Gründen mit Siliziumzellen überhaupt nicht genutzt werden, von den theoretisch nutzbaren knappen 30 Prozenten werden immerhin rund zwei Drittel in Strom umgewandelt. Zweitens dürfen Verbesserungen keine hohen Kosten verursachen. Wird der Wirkungsgrad monokristalliner Zellen beispielsweise von 20 auf 21 Prozent gesteigert, steigt die Stromausbeute um fünf Prozent. Das ließe sich auch erreichen, wenn die Fläche der ursprünglichen Module um fünf Prozent erhöht würde. Damit sind die wirtschaftlich vertretbaren Kosten der Effizienzsteigerung ungefähr beziffert. Der eingesetzte Rohstoff Sonnenlicht ist kostenlos und unbegrenzt verfügbar, dadurch wird der ökonomische Nutzen von Effizienzsteigerungen deutlich geschmälert.

Verbesserungen im Detail

Zwei wesentliche Verlustmechanismen, die in Solarzellen zu Leistungsverlusten führen, sind gut bekannt. Zunächst treten an den Kontaktstellen Verluste auf, über die der Strom abfließt. An dieser Stelle wird erfolgreich mit zwei Verfahren gearbeitet. Zunächst kann mit einer Optimierung der Oberfläche der Elektroden der Übergangswiderstand verringert werden. Eine zweite Methode besteht darin, direkt an der Kontaktstelle einige Fremdatome in die Solarzelle einzubauen, die zusätzliche Elektronen für den Ladungsabfluss bereitstellen. Für dieses so genannte „Dotieren“ hat sich beispielsweise Phosphor als geeignet erwiesen. Der zweite wichtige Verlustmechanismus besteht darin, dass die vom Sonnenlicht von den Atomen gelösten „freien Elektronen“ sich wieder mit einem Atom verbinden, bevor sie abfließen und somit Strom liefern können. Es zeigt sich, dass durch diesen Mechanismus an der Oberfläche der Siliziumkristalle besonders viele Ladungsträger verloren gehen. Im Kern liegt das dran, dass der Kristall hier eben keine sich in alle Richtungen periodisch wiederholende Struktur aufweist, sondern abrupt endet. Elektronen verhalten sich hier gänzlich anders als im Inneren. Diese Verluste hängen vom Material ab, in das der Siliziumkristall eingefasst ist. Es hat sich herausgestellt, dass so genannte dielektrische Materialien besser geeignet sind als die üblicherweise benutzen Metalle. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer „Passivierung“ der Oberfläche.

Organische Halbleiter als Alternative

Solarzellen, die organische Halbleiter statt Silizium nutzen, sind deutlich billiger herzustellen. Bislang sind die Wirkungsgrade erheblich niedriger als die kristalliner Zellen, selbst zehn Prozent werden nur in Laborexperimenten deutlich übertroffen. Langfristig können sich die Verhältnisse jedoch umkehren, da organische Solarzellen theoretisch das gesamte Spektrum nutzen können.