4. Vergleich der gängigen Zelltypen

4.1 Herstellungsverfahren

Monokristallines (kurz mono-c) Silizium
Als Ausgangsprodukt dient Silizium, das als Oxid (z. B. Sand oder Quarz) ein Drittel der Erdrinde ausmacht. Es muß aber erst aufwendige Reinigungsschritte und Destillationsverfahren durchlaufen, damit die Verunreinigung auf ein Zehnmillionstel Prozent reduziert wird. "Aus einer Schmelze (1. 400 ºC), von hochreinem, durch geringfügige Boranteile p-leitendem Silizium wird unter langsamen Umdrehungen ein monokristalliner Siliziumstab gezogen. Der Stab, der bis zu 2 m lang sein kann, ist ein einziger Kristall (Monokristall). Er wird auf eine quadratische Form (10 cm ·10 cm) zugeschnitten und danach in 0,3 - 0,4 mm dicke Scheiben gesägt. (...) Die später der Sonne zugewandte Seite wird bei 850 ºC durch Eindiffundieren von Phosphor n-leitend gemacht."
Diese Produktionsmethode wird auch als Czochralski- oder Tiegelziehverfahren bezeichnet.

Polykristallines (kurz poly-c) Silizium
Aus der Siliziumschmelze werden Blöcke mit einer Kantenlänge bis zu 40 cm gegossen, die nach dem Erstarren aus vielen (daher "poly") ungeordneten Kristalliten bestehen. Anschließend werden sie wie mono-c-Silizium weiterbehandelt. Die sehr kleine Schichtdicke des n-dotierten Siliziums (0,3 µm) gewährleistet ein ungehindertes Durchdringen vieler Photonen bis zur Grenzschicht (siehe 2.).

Amorphes (=gestaltloses) Silizium (kurz a-Silizium)
Der Herstellungsprozeß von amorphen Dünnschichtzellen unterscheidet sich völlig von dem kristalliner Zellen: Auf einem Trägermaterial, meist Glas (1-2 mm dick), "das mit einer transparenten, leitfähigen Oxidschicht (TLO) bedeckt ist, werden im Glimmentladungsreaktor der Reihe nach eine p-leitende Schicht (Bor dotiert), eine undotierte i-Schicht und dann eine n-leitende Schicht (Phosphor dotiert) abgeschieden (...). Anschließend wird eine hochreflektierende Metallschicht als Rückelektrode aufgebracht."
Die i-Schicht ist deshalb nötig, weil im amorphen Silizium die Raumladungszone wegen der geringen Dicke von a-Zellen (rund 1µm) im Gegensatz zum polykristallinen praktisch gleich Null ist, also eine Solarzelle mit reinem pn-Übergang gar nicht funktionieren würde. Deshalb muß man zwischen den beiden dotierten Schichten eine undotierte, intrinsische (=eigenleitende) Schicht einbauen, in der die entstehenden Ladungsträger unter dem Einfluß des elektrischen Feldes getrennt werden.

Vor dem Anbringen der Elektroden werden heute die Solarzellen noch mit Titanoxid antireflexbeschichtet. Ohne diese Beschichtung würden 25 - 30 % des auftreffenden Lichts sofort wieder reflektiert.


4.2 Vor- und Nachteile

Monokristallines Silizium, das mit 37 % nach wie vor den größten Marktanteil besitzt, benötigt wegen des hohen Wirkungsgrads (12 - 15 %) die geringste Mo-dulfläche, d.h. vorteilhaft sind hier die Platzersparnis und geringere Modul-fertigungskosten. Im Endeffekt ist dieser Zelltyp aber die teuerste Variante, da Silizium dieser Reinheit 180 DM/kg (!) kostet und zusätzlich 100 DM/m² das Sägeverfahren, wobei hier noch 50 % des Materials als Sägestaub verloren geht.
Bei polykristallinem Silizium sind zwar die Herstellungskosten wesentlich geringer, wegen des niedrigeren Wirkungsgrads (10 - 13 %) ergibt sich aber kaum ein Preisvorteil. So kommt es im Durchschnitt zu Kosten von 6, 20 DM/Wp (Wp bedeutet "Watt-peak", d.h. Spitzenleistung bei Sonneneinstrahlung von1 kW/m²). Aus Abb.10 wird ersichtlich, dass die Materialkosten mit 41 % den größten Kostenfaktor darstellen. Dünnschichtzellen sind mit einer Dicke von 1/500 gegenüber kristallinen Zellen daher auch rund 1/3 billiger (4,30 DM/Wp).

Abb. 10: Prozentuale Kostenaufteilung bei Solarzellen

Bei dieser Zellvariante hat man zusätzlich die Möglichkeit, aufgrund der Herstellungsweise a-Silizium auf gekrümmte Flächen aufzudampfen. Nicht außer Acht lassen darf man dabei jedoch, dass bei einem Wirkungsgrad von ca. 10 % größere Modulflächen erforderlich sind. Gravierend schlimmer ist aber die Tatsache, dass amorphe Zellen keine Langzeitstabilität wie kristalline Zellen aufweisen, d.h. der Wirkungsgrad nimmt im Laufe der Zeit noch um 2 - 4 % ab.