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Der Grundbestandteil der Solarzelle, der Siliziumwerkstoff, wird aus Sand geschmolzen und ist damit fast unbegrenzt verfügbar. Bei Silizium handelt es sich um einen Halbleiter, der nur bei Sonneneinstrahlung leitfähig ist.

Eine Solarzelle ist wie ein Sandwich aufgebaut: Es gibt eine sehr dünne Oberseite (n-Schicht) und eine Unterseite (p-Schicht) mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Beide Schichten wurden durch gezielte Verunreinigung mit bestimmten Fremdatomen erzeugt (Dotierung): die eine ist positiv leitend (Elektronenmangel), die andere negativ leitend (Elektronenüberschuss).

Fällt nun Licht von oben auf die sogenannte Grenzschicht (p/n Übergang), werden freie positive und negative Ladungen erzeugt, die durch ein elektrisches Feld getrennt werden. Oben entsteht ein Elektronenüberschuss, unten ein Elektronenmangel. Über Kontakte – ganzflächige Metallbeschichtung auf der Rückseite und einem lichtdurchlässigen Gitternetz auf der Vorderseite – und einem angeschlossenen Verbraucher können jetzt die Elektronen wandern. Die Ladungen werden ausgeglichen und es fließt ein Gleichstrom.

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Das klingt kompliziert? Ist es auch. Immerhin wurde für die Entdeckung und wissenschaftliche Erklärung des fotovoltaischen Effektes 1905 der Nobelpreis verliehen – an keinen geringeren als Albert Einstein.

Pro Zelle entsteht eine Spannung von ca. 0,5 Volt, die durch Zusammenschaltung mehrerer Zellen beliebig erhöht werden kann. Der Gleichstrom wird nun mit Hilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt und kann beispielsweise in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Die Sonnenenergie wird dabei nur zu etwa 15% in elektrische Energie umgesetzt, der Rest wird als Wärme frei.

©  SolarWorld Reines Silizium ist grau-schwarz und glänzt metallisch-bläulich

Die Gewinnung von Rohsilizium
Das Silizium kommt nicht in reiner Form vor, sondern muss durch aufwändige Verfahren aus Verbindungen wie Quarzsand gewonnen werden, die vorwiegend aus Siliziumdioxid bestehen. Durch die Reduktion von Siliziumdioxid bei Temperaturen von etwa 2000 °C in einem Lichtbogenofen wird dieses in Rohsilizium und Sauerstoff aufgespalten. Das Rohsilizium hat nun eine Reinheit von 98-99%.

Im nächsten Schritt wird das Rohsilizium im sogenannten Siemens-Verfahren mit Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan umgesetzt und destilliert. Bei sehr hohen Temperaturen entstehen so lange Stäbe polykristallinen Siliziums mit einer Reinheit von über 99,99%. Trotz des sehr energieaufwändigen Herstellungsprozesses für hochreines Silizium ist die Energiebilanz am Ende positiv, da die Kompensation der Energiemenge bei heutigen Solarzellen innerhalb von anderthalb bis fünf Jahren erfolgt.

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Die Waferherstellung
Die Kristallstäbe werden nun mit Drahtsägen in hauchdünne Scheiben, die sogenannten Wafer, gesägt. Die Stärke der Scheiben liegt bei weniger als 0,2 mm. Ein großer Teil des Siliziums bleibt dabei als Sägestaub ungenutzt.
Die Oberfläche der Wafer wird danach durch mehrere chemische Bäder geglättet. Dann erfolgt die Behandlung mit Bor und Phosphor, um die beiden Schichten mit unterschiedlicher elektrischer Eigenschaft zu erhalten. Die Phosphor-Atome erzeugen eine etwa 1 µm tiefe Zone mit Elektronenüberschuss auf der Zelloberfläche, die sogenannte n-Schicht. Danach erfolgt die Bedruckung der Oberfläche mit einem sehr dünnen Raster sowie die vollflächige Beschichtung der Rückseite – beides mit elektrisch gut leitenden Materialien. Fertig ist die Solarzelle.

Noch sind Solarzellen in ihrer Produktion relativ teuer und tragen deshalb nur in geringem Maße zur Stromversorgung bei. Wichtigstes Ziel der Fotovoltaikindustrie ist daher die schnellstmögliche Wettbewerbsfähigkeit mit der Stromerzeugung aus konventionellen Energien. Laut Bundesverband Solarwirtschaft e.V. sind Preissenkungen nur durch massiven Produktionsausbau und effiziente, hochautomatisierte Fertigungsprozesse zu erbringen. Weitere Ansatzpunkte zur Effizienzsteigerung sind die Erhöhung des Zell-Wirkungsgrades und die Verringerung der Materialstärke. Zudem werden zukünftige Technologien, wie etwa flexible Zellen, völlig neue Anwendungsmöglichkeiten für die Fotovoltaik erschließen.

Die Solarwirtschaft ist auf dem Weg zu einer Leitindustrie des 21. Jahrhunderts und bereits heute ein weltweiter Milliardenmarkt. So geht der wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung „Globale Umweltveränderungen“ davon aus, dass bis zum Ende des Jahrhunderts Solarstrom den größten Beitrag zur weltweiten Energieversorgung leisten wird. Auch im vermeintlich "schattigen" Deutschland liegt die mittlere jährliche Sonneneinstrahlung bei 1.000 kWh pro Quadratmeter. Das entspricht einem Energiegehalt von 100 Litern Öl. Damit wird mehr als die Hälfte der Solarenergiemenge erreicht, die wir in der Sahara vorfinden. Das reicht, um auch bei uns mit effizienten Solaranlagen langfristig rund ein Viertel des Strombedarfs aus Sonnenkraft zu erzeugen.