Die Herstellung von Solarzellen ist ein faszinierender Prozess, der aus Materialien wie Silizium, Quarz und Sand besteht. Silizium ist ein häufig vorkommendes chemisches Element, das im Erdmantel zu einem großen Teil vorhanden ist. Um Silizium für Solarzellen herzustellen, muss es aus silikatischen Mineralien und Siliziumdioxid gewonnen werden. Quarz, ein reines Siliziumdioxid, ist einer der Hauptbestandteile von Sand.
Die Herstellung von siliziumbasierten Solarzellen ist ein aufwändiger und energieintensiver Prozess. Dies liegt daran, dass Silizium bei Raumtemperatur sehr stabile Verbindungen mit Sauerstoff bildet. Um den Sauerstoff zu entfernen, wird das Siliziumoxid (Sand oder Quarz) auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Siliziums erhitzt. Dabei entsteht flüssiges Rohsilizium, das von gasförmigem Kohlenmonoxid getrennt werden kann.
Eine weitere Methode zur Herstellung von Rohsilizium ist die Verwendung eines elektrischen Lichtbogenofens. Hierbei wird gemischter Quarzkies mit Kohle und Holz im Ofen erhitzt. Das entstehende Siliziummonoxid reagiert mit Kohlenstoff zu Rohsilizium. Das flüssige Rohsilizium wird anschließend in ein feuerfestes Gefäß abgelassen und erkaltet. Es bildet eine harte und spröde Substanz mit einem charakteristischen metallischen Glanz.
Nach der Herstellung von Rohsilizium folgt der Reinigungsprozess. Das Rohsilizium wird gemahlen und mit gasförmigem Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan umgesetzt. In einem destillativen Verfahren wird das Trichlorsilan gereinigt und anschließend mit Wasserstoff zur Reaktion gebracht. Dabei scheidet sich das Silizium auf hochreinen Siliziumstäben ab, und es entsteht Solarsilizium von ausreichender Reinheit.
Der nächste Schritt in der Herstellung von Solarzellen ist die Erzeugung von Ingots und Wafern. Monokristalline Ingots werden hergestellt, indem reines Silizium knapp über seinen Schmelzpunkt erhitzt wird. Ein Impfkeim oder Impfstab wird hinzugefügt, an dem sich die Schmelze anlagert. Beim Schneiden der Wafer entstehen die typischen monokristallinen Solarzellen. Für polykristalline Zellen wird das reine Silizium in einem quadratischen Tiegel erhitzt. Beim Auskühlen bilden sich unterschiedlich große und ausgerichtete Kristallzonen.
Die hergestellten Wafer werden dotiert, um einen Ladungsunterschied zwischen verschiedenen Schichten zu erzeugen. Eine Antireflexionsschicht aus Siliziumnitrid oder Titanoxid wird aufgebracht, um das Sonnenlicht effektiv zu nutzen. Die Leitungsbahnen werden im Siebdruckverfahren mit Silberpaste auf die Wafer gedruckt und verfestigt.
Ein entscheidender Schritt zur Funktionsfähigkeit der Solarzelle ist das Aufbringen der Kontakte. Auf der Vorderseite werden gitterförmig angeordnete Leitbahnen und Kontakte mit Silberpasten gedruckt. Der Rückseitenkontakt wird meist als vollflächige Aluminiumschicht mit Silberkontaktstellen ausgeführt.
Obwohl sich die Solarzellenherstellung ständig weiterentwickelt, befinden sich Tandem- oder Hybrid-Solarzellen noch in der Entwicklung und sind noch nicht zur industriellen Fertigung übergegangen. Für die Zukunft sind jedoch deutliche Steigerungen beim Wirkungsgrad der Solarzellen zu erwarten, was sie für den Massenmarkt attraktiver machen wird.
