Grundelement für die Solarzellenproduktion ist Silizium, das in Form des Quarzsandes das zweithäufigste Element der Erde ist. Der Herstellungsvorgang des äußerst reinen monokristallinen Siliziums ist extrem aufwendig: Silizium-Einkristalle werden aus einer gereinigten Siliziumschmelze gezogen, wobei für den geordneten Kristallaufbau eine Ziehgeschwindigkeit von maximal 30 cm pro Stunde möglich ist. (Czochralski-Verfahren) Folgen: sehr teuer, aber bester Wirkungsgrad aller Silizium-Solarzellen, bis ca.18%.
Für polykristalline Zellen ist die Herstellung entsprechend einfacher:
Die gereinigte Siliziumschmelze wird in Blöcke gegossen und anschließend wie auch die monokristalline mit einer Säge in Scheiben von 0,25 bis 0,4 mm Dicke zersägt. Beim Zersägen entsteht viel Abfall, der besonders bei der monokristallinen Technik die Wirtschaftlichkeit in der Erzeugung verringert.
Polykristallines Silizium ist etwas unreiner als monokristallines, dafür aber entsprechend billiger in der Herstellung; Wirkungsgrad: etwa bis 15%.
Im darauffolgenden Produktionsschritt - der "Dotierung" - wird durch Einbringen von chemischen Elementen (z.B.Phosphor und Bor ) aus dem Silizium ein elektrisch positiv geladener p-Halbleiter (bei Dotierung mit Phosphor), bzw. ein elektrisch negativ geladener n-Halbleiter (bei Dotierung mit Bor). Bei Zusammenfügen dieser beiden Schichten entsteht ein p-n Übergang der für die Wirkungsweise der Solarzelle (wie auch anderer elektronischer Bauelemente) entscheidend ist.
Wenn jetzt durch Lichteinfall Photonen mit ihrer Energie Elektronen auf ein höheres Energieniveau bringen, entsteht - unter Ablauf einiger komplexer Vorgänge im Halbleiter - durch Ladungstrennung am p-n Übergang ein Stromfluß. /2/3/15/Literatur
Da es bis heute noch keine großtechnische Massenproduktion von Solarzellen gibt, ist das verwendete Silizium meist ein Abfallprodukt bei der Halbleiterproduktion./4/ Literatur
Die notwendige Reinheit des Siliziums für die Halbleitertechnik ist höher als die für die Solarzellenproduktion. Tendenzen, Silizium mit einer gerade für die Solarzellenproduktion ausreichenden Reinheit billiger herstellen zu können, sind vorhanden.
Siliziumverbindungen gehören zu den stabilsten und langlebigsten Verbindungen, Siliziumoxide (z.B. Glas) sind außerdem unproblematisch zu entsorgen.
Andere Grundstoffe wie Galliumarsenid, Cadmiumtellurid, Kupferindiumdiselenid, - oder einige weitere - können auch als Solarzellen verwendet werden, doch muß jeweils eine mögliche Toxizität beachtet werden.
Die Rückseite der Solarzelle besteht aus einem ganzflächigen metallischen Kontakt, während die der Sonnenstrahlung zugewandte Seite mit einem metallischen fingerförmigen Kontaktsystem versehen ist. Zur Vermeidung von Reflexionen an der Oberfläche wird eine Antireflexionsschicht aufgebracht, wodurch es zum bläulichen Glanz der Solarzelle kommt. Ein spezielles Hartglas und ein stabiler Rahmen sorgen für die mechanische Festigkeit.
Bezüglich der chemischen Belastungen bei der Herstellung von PV-Elementen kommt eine deutsche Studie/20/ Literatur zu folgendem Schluß:
Die ermittelten Stoffströme und ihre Mengen bei der Produktion von Photovoltaik-Elementen unterscheiden sich nicht von denen üblicher Chemieproduktionen. Bei ordnungsgemäßem Betrieb der Anlagen werden alle vorgesehenen Grenzwerte eingehalten und unterschritten, daran gemessen ist die Herstellung von Photovoltaikanlagen von der Umwelt her gesehen unerheblich.
Kristalline Solarzellen haben eine Leerlaufspannung von etwa 0,6 Volt und einen maximalen Kurzschlußstrom bei einer Fläche von 10 x 10 cm von etwa 3 Ampere.
Aufgrund dieser geringen Spannung einer einzelnen Zelle werden viele Zellen hintereinander geschaltet ("in Serie"), um eine für den Verbraucher sinnvoll verwendbare Spannung zur Verfügung zu haben. Häufig werden Spannungen von etwa 15 Volt realisiert, was eine maximal erzielbare Gesamtleistung von etwa 40-60 Watt ergibt. Die so erzeugten Einheiten werden als Photovoltaik-Module oder -Paneele bezeichnet.
Elektrische Eigenschaften von Solarzellen:
Bei einer Solarzelle ändert sich mit der Zelltemperatur der Wirkungsgrad in der Weise, daß bei niederen Temperaturen eine höhere Leistung erzielt wird.
Man erkennt bei den Kennlinien einen Punkt wo die abgegeben Leistung maximal ist.(MPP, Maximal Power Point)
Für den Betrieb einer Photovoltaikanlage gilt es, diese stets in diesem Punkt zu betreiben. Bei Betrieb mit Solarwechselrichter (siehe Wechselrichter) übernimmt dieser diese Aufgabe.
Bei größeren Insel-Anlagen kann es sinnvoll sein, einen sogenannter "Maximum Power Tracker" (MPT) - einen elektronischen Anpassungswandler - einzusetzen. Der MPT bringt oft eine nicht unwesentliche Steigerung des Energieertrages der Anlage. Als Kostenrichtwert für den MPT bei einer 300W Anlage können etwa öS 4000.- gelten.
