Wie Forscher den Dunkelstrom eindämmen

Perfektion führt zu mehr Wirkungsgrad

Ein großer Silizium-Einkristall, aus dem später die Solarzellen-Wafer gesägt werden. Bild vergrößern
Ein großer Silizium-Einkristall, aus dem später die Solarzellen-Wafer gesägt werden.

Das Rohmaterial für elektronische Chips sind große, perfekte „Einkristalle“, die mit speziellen Schmelzverfahren aufwändig hergestellt werden. Ein Einkristall zeichnet sich dadurch aus, dass ihn das räumliche Gitter der Atome praktisch ohne Fehler durchzieht. Aus den Einkristallen aus hochreinem Silizium werden Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten. Aus diesen Wafern stellt man Chips oder monokristalline Solarzellen her. Monokristalline Solarzellen erreichen die höchsten Wirkungsgrade der Siliziumtechnologie. Der Nachteil: Ihre Produktion ist aufwändig, teuer und frisst viel Energie. In unseren Breitengraden müssen solche Zellen etwa 40 Monate lang elektrische Energie erzeugen, um die für ihre Produktion verbrauchte Energie wieder hereinzuspielen; Zellen aus „multikristallinem“ Silizium erreichen diesen Punkt bereits nach 30 Monaten. Heutzutage bestehen die meisten Solarzellen aus multikristallinem Silizium. Da das Material multikristalliner Solarzellen aus vielen kleineren Kristallen zusammengesetzt ist, macht das ihre Herstellung billiger: Zuerst schmilzt man hochreine Siliziumstücke in großen Quarzguttiegeln bei 1400 °C auf. Dann lässt man die Schmelze langsam von unten nach oben erstarren. So entstehen silbrig schimmernde Siliziumblöcke, die bis zu 500 Kilogramm wiegen. So ein Block besteht aus vielen einkristallinen Körnern. Diese „Kristallite“ können mehrere Kubikzentimeter groß sein. Der Block wird zuerst in Säulen und diese in dünne Wafer mit einer Fläche von 156 ´ 156 mm2 zersägt, und daraus macht man dann die Solarzellen.

Die im Jahr 2011 weltweit hergestellten Solarzellen haben zusammengenommen bei voller Beleuchtung eine Leistung, die zwanzig bis dreißig Atomkraftwerken entspricht. „Von diesen Zellen waren 31 Prozent monokristalline und 57 Prozent multikristalline Siliziumzellen“, erklärt Breitenstein. Multikristalline Silizium-Solarzellen sind also die wichtigste photovoltaische Technologie. Der Wirkungsgrad guter industrieller Zellen liegt heute bei 17 Prozent und damit rund zwei Prozent unterhalb den besten monokristallinen Zellen. Warum ihr Wirkungsgrad schlechter ist, erforscht Breitensteins Gruppe. Dank dieser Arbeit versteht man heute gut, welche Materialfehler in den nicht so perfekten multikristallinen Zellen entscheidend sind. Damit lassen sie sich nun gezielt verbessern.

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