Aufbau einer Solarzelle: Schichten, Materialien und Technologien

Der Aufbau einer Solarzelle ist ein faszinierendes Zusammenspiel verschiedener Materialien und Schichten, die gemeinsam die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom ermöglichen. Das Verständnis des Aufbaus ist grundlegend für die Bewertung verschiedener Zelltechnologien und deren Vor- und Nachteile. Dieser Artikel erklärt den detaillierten Aufbau moderner Solarzellen vom Substrat bis zur Kontaktierung.

Das Herzstück jeder kristallinen Silizium-Solarzelle ist der Siliziumwafer. Dieser hauchdünne Halbleiterscheibe wird aus hochreinem Silizium hergestellt und hat eine typische Dicke von 150 bis 180 Mikrometer bei einer Kantenlänge von heute meist 182 oder 210 Millimetern. Das Silizium wird zunächst als Ingot in einem Tiegel gezogen, entweder als monokristalliner Block im Czochralski-Verfahren oder als multikristalliner Block durch gerichtete Erstarrung. Anschließend wird der Block in dünne Scheiben gesägt.

Die Basis des Wafers ist p-dotiertes Silizium, das heißt, dem Silizium wurden geringe Mengen Bor hinzugefügt. Bor hat ein Valenzelektron weniger als Silizium und erzeugt dadurch sogenannte Defektelektronen oder Löcher, die als positive Ladungsträger fungieren. Die Dotierungskonzentration liegt typischerweise bei etwa einem Boratom pro Million Siliziumatome und wird präzise gesteuert, um die gewünschten elektrischen Eigenschaften zu erzielen.

Die Vorderseite des Wafers wird durch Diffusion von Phosphor n-dotiert. Phosphor hat ein Valenzelektron mehr als Silizium und stellt damit freie Elektronen als negative Ladungsträger bereit. Die n-dotierte Schicht ist nur wenige hundert Nanometer dick und bildet zusammen mit der p-dotierten Basis den p-n-Übergang, der für die Ladungstrennung und damit für die Stromerzeugung verantwortlich ist.

Moderne hocheffiziente Solarzellen verwenden zusätzliche Passivierungsschichten auf der Vorder- und Rückseite des Wafers. Die PERC-Technologie (Passivated Emitter and Rear Cell) verwendet eine Aluminiumoxidschicht auf der Rückseite, die die Rekombination von Ladungsträgern an der Oberfläche reduziert. Bei der TOPCon-Technologie (Tunnel Oxide Passivated Contact) wird eine ultradünne Siliziumoxidschicht von nur 1 bis 2 Nanometer als Tunnelschicht verwendet, die zusammen mit einer polykristallinen Siliziumschicht einen passivierten Kontakt bildet.

Die Antireflexionsschicht auf der Vorderseite ist entscheidend für die optische Effizienz. Ohne Beschichtung würde die blanke Siliziumoberfläche mehr als 30 Prozent des einfallenden Lichts reflektieren. Eine Schicht aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von etwa 75 Nanometern reduziert die Reflexion auf wenige Prozent. Die Schichtdicke wird so gewählt, dass die destruktive Interferenz für den Wellenlängenbereich des Sonnenlichts mit der höchsten Intensität optimiert ist. Die charakteristische blaue Farbe vieler Solarzellen entsteht durch diese Beschichtung.