Wie wird ein Photovoltaikmodul hergestellt?

Gewinnung des hochreinen Siliziums - Das Grundmaterial, der am weitesten verbreiteten kristallinen Solarzellen, ist Silizium (Si). Es ist nach Sauerstoff das zweit häufigste Element der Erde. 15% der gesamten Masse der Erde ist Silizium.  Betrachtet man nur die für uns erreichbare Erdkruste, dann sind es sogar über 25%. Silizium gibt es also sprichwörtlich wie Sand am Meer. Es kommt meist als Siliziumoxid vor. In reinster Form als Quarz bekannt.

Um Silizium von Sauerstoff zu trennen wird es reduziert. Dies geschieht bei bis zu 2000°C in Schmelz-/ oder Lichtbogenöfen unter Zusatz von Kohlenstoff. Die Reaktionsgleichung dabei lautet:

Reaktionsgleichung Silizium

Das dadurch entstehende Rohsilizium (metallurgisches Silizium), mit einer Reinheit von 98-99%, wird z.B. in der Stahlindustrie verwendet. Es ist aber für Photovoltaik noch nicht rein genug. Der nächste Prozessschritt ist das Siemens-verfahren. Bei diesem wird klein gemahlenes Rohsilizium mit Chlorwasserstoff (HCl) versetzt. Es entsteht flüssiges Trichlorsilan.

Trichlorsilan

Dieses wird durch wiederholte Destillation gereinigt und anschließend im sogenannten Siemensreaktor auf 1200°C erhitzt. Das Trichlorsilan wird dabei gasförmig und das reine Si scheidet sich an einem im Reaktor befindlichen Siliziumstab ab. Das entstandene Silizium wird Polykristallines Silizium genannt. Danach gibt es zwei Optionen. Entweder folgt die Weiterverarbeitung zu Multikristallinem Silizium oder zu Monokristallinem Silizium. Die einfachere Variante ist erstere. Dabei wird eine Siliziumschmelze mit Polykristallinem Silizium langsam von unten nach oben hin erkaltet. So entsteht ein Säulenartiges Wachstum von Kristallen. Bei der Herstellung von Monokristallinem Silizium wird in eine Schmelze mit Polykristallinem Silizium ein hochreiner Impfkristall aus Silizium eingebracht. An diesem lagert sich das Silizium in seiner reinsten Form an. Diesen Prozess nennt man Czochalski-Verfahren.

Polykristallines, Multikristallines und Monokristallines Silizium:
Der Unterschied zwischen diesen drei Formen des Siliziums ist die Größe der Kristalle und damit auch die Leistungsfähigkeit. Polykristallines Silizium besteht aus Kristallen im Bereich von Mikro- bis Millimetern. Multikristallines Silizium besteht aus Kristallen von der Größenordnung bis 10cm. Alles darüber wird als monokristallines Silizium bezeichnet.

Herstellung einer Solarzelle

Der nächste Schritt ist die Herstellung eines Wafers. Dazu werden die Silizium Blöcke bzw. Zylinder in Scheiben mit einer Dicke von 180µm geschnitten. Dabei entstehen pro Schnitt nahezu die Sägeverluste eines gesamten Wafers. Um die gewünschten elektrischen Eigenschafften zu erreichen, wird der Wafer anschließend dotiert. Das bedeutet, es werden bewusst Fremdatome in das Material eingebracht. Zunächst mit einem Element aus der dritten Hauptgruppe wie z.B. Bor. Es besitzt ein Außenelektron weniger als Silizium. Anschließend wird die oberste Schicht mit einem Element aus der fünften Hauptgruppe (z.B. Phosphor) dotiert. Es besitzt ein Außenelektron mehr als Silizium. Damit ist der sogenannte pn-Übergang entstanden, der für die Photovoltaik essentiell ist. Für den Abschluss der Oberfläche sorgt eine Antireflexbeschichtung aus Siliziumnitrid. Die Front- und Rückseitenkontakte werden aus Silber und Aluminium mit einem speziellen Siebdruckverfahren aufgebracht. Anschließend werden die Zellen bei 800°C ausgehärtet. Als letztes werden die Kannten fein abgeschnitten und Isoliert um Kurzschlüsse zwischen Vorder- und Rückseite zu vermeiden.

Herstellung eines Solarmoduls

Bei einem Glas-Folie-Modul werden die Solarzellen über Kupferstreifen in reihe geschaltet, um hohe Spannungen zu erreichen. Unter und über die Zellen wird eine Folie aus EVA gelegt. Den Rückseitenabschluss bildet eine Tedlar-Folie, sie verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit und sorgt für eine elektrische Isolation. Die Vorderseite wird mit einer ca. 4mm starken Glasscheibe abgeschlossen. Sie ist Lichtdurchlässig und gibt dem Modul Stabilität. Diese Schichten werden in einem Vakuum auf 150°C erhitzt. Dabei entweicht jeglicher Sauerstoff zwischen den Schichten, die Folie aus EVA schmilzt und umschließt die Zellen perfekt. Die Kanten werden abschließend mit Spezialklebeband abgedeckt und einem Rahmen aus Aluminium verstärkt. Bei einem Glas-Glas-Modul wird die Rückseitenfolie durch eine weitere Glasscheibe ersetzt. Diese sorgt für zusätzliche Stabilität, deshalb kann in diesem Fall auf den Aluminiumrahmen verzichtet werden.

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