Was tatsächlich in einer Solarzelle steckt

Immer mehr Solaranlagen sorgen für sauberen Sonnenstrom. Doch woraus bestehen Solarpaneele eigentlich? Welche Rohstoffe verwandeln Sonnenlicht tatsächlich in elektrische Energie?

Immer mehr Solaranlagen sorgen für sauberen Sonnenstrom. Doch woraus bestehen Solarpaneele eigentlich? Welche Rohstoffe verwandeln Sonnenlicht tatsächlich in elektrische Energie?

Sie ist der kleinste, aber wohl wichtigste Bestandteil jeder Photovoltaikanlage: Die Rede ist von der Solarzelle. Diese nimmt Sonnenlicht auf und wandelt es über einen Wechselrichter in elektrischen Strom um. Sprich: Ohne die kleinen Bauteile wäre eine saubere Stromerzeugung erst gar nicht möglich. Aber gehen wir einen Schritt zurück – zum Herstellungsverfahren der innovativen Zellen. Es stellt sich die Frage, welche Rohstoffe in die kleinen Bauteile rein dürfen. Denn nur bestimmte Materialien können Licht auch tatsächlich in Strom umwandeln. Eines davon ist das Element Silizium. Über 90 Prozent aller Solarzellen werden aus diesem Halbleiter gefertigt. Und was steckt in den restlichen Modulen? Wir haben uns die kleinen Stromerzeuger einmal im Detail angesehen.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Damit Solaranlagen sauberen Sonnenstrom erzeugen können, brauchen sie effektive Solarzellen. Diese werden mit sogenannten Halbleitermaterialen ausgestattet, welche bei Zufuhr von Energie über eine verbesserte Leitfähigkeit verfügen. Also: Bei Lichteinfall erhöht sich die Leitfähigkeit der Zelle, Elektronen bewegen sich und es entsteht Strom. Grundlegendgibt es drei verschiedene Arten von Solarzellen: monokristalline Zellen, polykristallineZellen und Dünnschichtzellen. Sensible Solarzellen sind aber freilich nicht schutzlos Wind und Wetter ausgeliefert. Vielmehr sind sie unter den Modulhüllen gegen äußere Einwirkungen gesichert. Module bestehen folglich aus mehreren Solarzellen, die entweder in Serie oder auch parallel geschaltet werden können. Die große Preisfrage: Was kommt nun in die kleinen Zellen rein?

PV-Rohstoff Silizium

Wie bereits erwähnt, wird bei der Herstellung der meisten solaren Anlagen Silizium verwendet. Das Gute an diesem Rohstoff: Es gibt ihn quasi wie Sand am Meer, nämlich in Hülle und Fülle. Denn der Ausgangsstoff für die Gewinnung von Silizium ist Quarzsand. Und die globalen Quarzsandreserven stehen uns unendlich zu Verfügung, sind also unerschöpflich.Schließlich bestehen die meisten Sandstrände weltweit aus umweltverträglichem Quarzsand. Ziemlich beeindruckend: Jährlich werden weltweit über 100 Millionen Tonnen des Rohstoffs abgebaut – in sogenannten Sandgruben. Die größten gegenwärtig genutzten Vorkommen finden sich in den USA und Europa – auch in Österreich.

PV Rohstoff
Ausgangsstoff für die Gewinnung von Silizium ist Quarzsand. Und den gibt es tatsächlich wie Sand am Meer.

Silizium, wie es in der Natur vorkommt, ist allerdings nicht direkt zum Bau von Solarzellen geeignet.Zuerst muss der Rohstoff noch einige Arbeitsschritte durchlaufen. Je nach Verfahren entsteht polykristallines Silizium, monokristallines Silizium, mikrokristallines Silizium oder amorphes Silizium. Monokristallines und polykristallines Silizium werden am häufigsten für Solarzellen verwendet. Diese sind leistungsfähig und kostengünstig zugleich. Kurz gesagt: Sie bieten das beste Preis-Leistungs-Verhältnis.

PV-Rohstoff Silber

Silber findet als Industriemetall besonders in der Elektronikbranche und Photovoltaik-Technik Verwendung. Mehr noch: Es ist essenziell für eine reibungslose Stromproduktion. Denn erst durch den Einsatz dieses Metalls kann elektrische Energie tatsächlich abgeführt, also weitergeleitet werden. Die Außenseiten der Siliziumplättchen, also Vorder- und Rückseite, werden dabei mit metallischen Kontakten bestückt. Dünne Schichten aus Silber werden flächig oder strukturiert auf die Zellen aufgebracht.Der Vorteil: Silber leitet elektrische Energie extrem gut. Der Nachteil: Es steht nur in begrenztem Maße zur Verfügung. Ganz nebenbei ist es auch noch ziemlich teuer. Forscher*innendes Fraunhofer ISE haben die Lösung: Mit der Entwicklung neuartiger Solarzellen soll bis zu 30 Prozent weniger Silber für die Herstellung von leistungsfähigen Stromproduzenten benötigt werden. Die kostengünstigere Alternative heißt Kupfer. Neben geringen Kosten bietet dieser Stoff auch noch weitere Vorteile: Er ist frei von Blei und Lösemitteln. Also ein echt sauberer Stoff.

PV-Rohstoff Indium

Indium ist ein unverzichtbares Material für effektive Solarzellen.Gleichzeitig ist es eines der seltensten Elemente der Erde. In der Erdkruste finden sich im Schnitt in 100 Tonnen Festgestein gerade einmal 24 Gramm Indium. Dieser Rohstoff ist jedoch nicht nur elektrisch leitend, sondern auch durchsichtig. Kein Wunder, dass Indium also vor allem in Touchscreens und Bildschirmen steckt – und eben auch in Solarmodulen. Zellen aus Kupfer, Indium und Gallium-Diselenid, kurz CIGS-Zellen, finden überwiegend bei Dünnschicht-Solarzellen Anwendung. Ein Dünnschichtmodul ist ein hauchdünnes Photovoltaikmodul, das im Gegensatz zu herkömmlichen kristallinen Modulen einfacher in der Herstellung ist, jedoch einen geringeren Wirkungsgrad als vergleichbare Module aufweist.

Der Verbrauch von Indium hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Zum Vergleich: Ende der 1980er-Jahre waren es 50 Tonnen pro Jahr, heute sind es weit über 500 Tonnen. Die Indium-Ressourcen könnten nach Einschätzung von Forscher*innen bis 2035 komplett aufgebraucht sein. Dementsprechend hoch ist auch der Preis. Gegen diesen Rohstoff spricht aber vor allem die Entsorgung. Diese ist im Vergleich zu kristallinen Zellen um einiges aufwändiger. Außerdem könnten bei möglichen Bränden toxische Verbindungen freigesetzt werden. Und diese sind sowohl für Mensch als auch Umwelt zweifellos giftig.

PV-Rohstoff Cadmium und Blei

In Silizium-Modulen wird Blei verwendet, in Dünnschichtmodulen Cadmiumtellurid, kurz Cadmium. Beide sind Schwermetalle. Beide sind gesundheitsschädliche Stoffe. Klingt zwar erst einmal nicht besonders umweltfreundlich, doch auch hier gibt es eine Lösung: Blei kann ganz ohne Funktionseinbußen durch nachhaltigere Rohstoffe ersetzt werden. Problematischer wird es beim Rohstoff Cadmium, denn dieser ist in Dünnschichtmodulen unverzichtbar. Keine Sorge: Werden die Module nach Ablauf ihrer Lebensdauer vorschriftsmäßig entsorgt, können giftige Schwermetalle auch nicht in die Umwelt gelangen. Sprich: Von Photovoltaik-Modulen gehen im Betrieb weder Gefahren für die Gesundheit noch für die Umwelt aus. Vorausgesetzt auch Wartung und Entsorgung erfolgen sachgemäß.

PV-Rohstoff Selen

Weiterer Bestandteil der Dünnschicht-Technologie ist das leitfähige Halbmetall Selen. Dieser Rohstoff weist eine sehr lange Geschichte auf. Bereits 1883 baute der amerikanische Erfinder Charles Fritts die ersten echten Solarzellen aus eben genau diesem Rohstoff. Die langjährige Nutzung und Weiterentwicklung des Stoffes brachten jedoch vor allem eines zum Vorschein: den geringen Wirkungsgrad im Vergleich zu den besonders nachgefragten Silizium-Zellen. Gerade deshalb haben Letztere die Selenzellen in den vergangenen Jahren auch deutlich überholt.  Weiterer nicht unwichtiger Fakt: Der weltweite Verbrauch an Selen überschreitet die jährliche Produktionsmenge. Sprich: Das Material wird immer knapper.

PV-Rohstoff Zinn

Perowskit-Solarzellen sind die Hoffnungsträger der Photovoltaik. Sie sind günstig, leicht herzustellen und äußerst effizient. Großes Aber: Sie werden mit giftigem Blei hergestellt. Doch damit soll nun endlich Schluss sein. Wissenschafter*innen wissen nun, wie sich umweltfreundlichere, aber trotzdem leistungsfähige Perowskit-Schichten mit Zinn herstellen lassen. Die besten der neuen bleifreien Perowskit-Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 9,1 Prozent und zusätzlich hohe Stabilitätswerte, sowohl unter Tagesbedingungen als auch im Dunkeln. Der Weg in eine bleifreie und nachhaltig umweltfreundliche solare Stromerzeugung ist definitiv frei.

✅ TEXT: SANDRA RAINER
✅ FOTOS: UNSPLASH / MARIANA PROENÇA ; UNSPLASH / FILIOS SAZEIDES

de_ATDE