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Herstellung einer Solarzelle

Über 95 Prozent der hergestellten Solarzellen nutzen als Halbleiter das chemische Element Silizium. Nach Sauerstoff kommt Silizium am häufigsten auf der Erde vor. Sand und Quarz enthalten Siliziumdioxid. Aber auch aus einem Amethyst oder einem Opal kann man das Element gewinnen. Wie wird aber aus einem Sandkorn eine Solarzelle? Dieser Frage gehen wir hier auf dem Grund und versuchen den Produktionsprozess so anschaulich und verständlich wie möglich darzustellen.

Bildstrecke: Herstellung eines Solarmodules

 

 

Am Anfang einer jeden Solarzelle steht die Herstellung von reinen (98%) Silizium. Dies geschieht im Lichtbogenoffen, wo bei einer Temperatur von ca. 1.410 Grad Celsius eine Reduktion von Quarz mit Kohlenstoff stattfindet. Aus der Schmelze wird ein Kristallstab gezogen, der sogenannte Monokristall. Im nächsten Schritt wird der Einkristall in Mikrometer (0,4 mm) dünne Scheiben geschnitten und einer chemischen Reinigung unterzogen. Beim zersägen des Einkristalls mit Hilfe modernster Drahtsägen-Technologie entstehen 50 Prozent Abfall (Der Stab ist rund und die daraus zugeschnittenen Scheiben sind quadratisch: siehe untere Grafik). Die zugeschnittene Scheibe wird als „Wafer“ bezeichnet. Im nächsten Schritt findet unter Temperaturen von 800 bis 1.000 Grad Celsius die Dotierung der Wafer statt. Der bis hierhin beschriebene Prozess beschreibt das Verfahren zur Herstellung teurer Monokristallinen Solarzellen. Charakteristisch für eine monokristalline Zelle sind das einheitlich dunkele Erscheinungsbild und die abgerundeten Ecken der einzelnen Solarzellen. Aufgrund der Reinheit dieses Zelltypen weisen Monokristalline Zellen den höchsten Wirkungsgrad auf. Unter perfekten Bedingungen konnten Wirkungsgrade von über 20 Prozent erzielt werden. Die Fertigung ist sehr energieintensiv. Bis das Modul eine positive Energiebilanz aufweist, vergehen mehrere Jahre. Anwendungsbereiche für diesen Zelltypen sind überwiegend die Luft- & Raumfahrttechnik. Satelliten benötigen möglichst viel Energie auf einem Mindestmaß an Platz.

Ein Wafer kann aber auch deutlich einfacher produziert werden. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen und anschließend zersägt. Die Einkristall-Struktur geht dadurch verloren und das typische Bild einer polykristallinen Solarzelle entsteht. Die Zelle ist heller als die monokristalline und man erkennt darauf viele verschiedene Kristalle. Diese Struktur beeinflusst den Wirkungsgrad zwar negativ, verbilligt aber dafür den Produktionsprozess. Sehr viel materialsparender und weniger energieintensiv ist die Fertigung einer Amorphen Solarzelle. Dabei wird auf dem Trägermaterial (Glas…) eine 1-Mikrometer dünne Siliziumschicht aufgedampft. Amorphe Zellen werden in Taschenrechnern und Uhren verbaut und haben in der Regel einen geringen Wirkungsgrad von 7 Prozent. Der Vorteil dieses Zelltypen liegt auch in dem Wirkungsgrad bei diffusem Licht. Der ist deutlich besser als bei einem Monokristallinen Solarpanels. In diesem Artikel möchten wir nicht weiter auf diesen Zelltypen eingehen und uns im nächsten Abschnitt mit der Modulfertigung auseinandersetzen.

In der Modulfertigung werden bis zu zehn Solarzellen zu einem String zusammengeführt und mit Kupferbändchen verlötet. Dieser Arbeitsprozess wird vollautomatisch von Maschinen und Robotern übernommen. Der Mensch übernimmt lediglich eine Kontroll- und Überwachungsfunktion. Bei der Zusammenführung der Zellen zu einem String ist darauf zu achten, dass die einzelnen Solarzellen die gleichen Eigenschaften besitzen. Nur dadurch kann eine hohe Leistungsqualität gewährleistet werden. Eine weitere Fertigungseinheit legt dem halbfertigen Modul eine sehr dünne Glasscheibe (3,2 Millimeter) auf, diese schützt die Zellen vor Witterung und anderen Umwelteinflüssen. Zusätzlich werden die Wafer noch mit einer Antireflektionsschicht beschichtet. Dies geschieht im Vakuum bei etwa 400 Grad Celsius. Die Schicht verleiht dem Modul das typisch blaue Aussehen und erhöht den Wirkungsgrad. Damit später auch tatsächlich Strom fließen kann, werden auf der Vorder- und Rückseite bei etwa 900 Grad Celsius die Kontaktstreifen eingebrannt, welche vorher durch das Siebdruckverfahren auf die Zellen aufgetragen wurden. Was jetzt noch fehlt ist der Rahmen aus Aluminium. Die Stärke des Rahmens variiert von Hersteller zu Hersteller: Aleo nutzt zum Beispiel 50 Millimeter starke Rahmen. In den Rahmen kann sich Wasser ablagern, damit dieses abfließen kann, werden Ablauflöcher integriert. Das Modul ist optisch fertiggestellt und wird im letzten Schritt einem kurzen Test unterzogen. Dabei wird die Leistung des Solarpanels bestimmt und entsprechend klassifiziert.

Einige Unternehmen wie zum Beispiel die deutsche Solarworld AG bieten einen kompletten vertikalen Wertschöpfungsprozess an. Dazu gehört auch das Recycling von älteren und kaputten Solaranlagen. Dabei werden einzelne Siliziumstücke einer Qualitätskontrolle unterzogen und entsprechend Sortiert und dann wiederverwertet.

Die Solarbranche befindet sich in einem umfassenden Strukturwandel. Ehemalige Premiumhersteller aus Deutschland wie Conergy oder Q-Cells mussten Insolvenz anmelden und den Markt der chinesischen Konkurrenz überlassen. Aber auch namenhafte Firmen wie Bosch und Siemens ziehen sich aus der Branche zurück und verkaufen entsprechende Unternehmenssparten. Viele Solarbauer verkaufen ihre Module unterhalb der Produktionskosten, um die Lager zu leeren und dem Preisdruck gerecht zu werden. Man könnte den aktuellen Prozess als natürliche Auslese bezeichnen, wo nur der stärkste überlebt. In Europa findet in den Management-Etagen der Unternehmen ein Umdenken statt, weg von der Massenfertigung von Solarmodulen, hin zur Konzeption von Solarparks, Forschung und Entwicklung neuer Module und Produktion einzelner Premiummodule.

Autor: Martin Brosy