Innenlochtrennen

Innenlochtrennen (auch ID-Trennen von englisch inside diameter, „Innendurchmesser“) ist ein sehr spezielles Trennverfahren für extrem präzise Schnitte mit möglichst schmaler Schnittbreite das verfahrensbedingt sehr aufwändig und langsam nur bei teuren, sprödharten Werkstoffen bevorzugt wird.

Verwendung

Mit einer Schnittbreite von 0,3 mm und weniger dient es vorwiegend dem Abtrennen von Wafern vom Silicium-Einkornkristallrohling. Aber auch die Halbleiterwerkstoffe Germanium und Galliumarsenid sowie optische Gläser, Keramiken und Kristalle für Festkörperlaser und weitere sehr spezielle Werkstoffe werden damit bearbeitet.
Verfahren

Innenlochtrennen ist (vereinfacht beschrieben) eine spezielle Kreissägetechnik, bei der das Sägeblatt am äußeren Rand eingespannt und mit der Blattkante im Innenloch gesägt wird.

Innenlochtrennen mit Trennblatt

Das Zerspanwerkzeug besteht aus einer runden Edelstahlmembran, dem Trennblatt, mit einem ebenfalls runden Loch in der Mitte, dessen Kante galvanisch mit Naturdiamant als Schneidstoff beschichtet ist. Das Trennblatt ist im äußeren Bereich in einen aus zwei Ringe bestehenden Rahmen eingespannt. Während sich das Werkzeug mit einer Schnittgeschwindigkeit von etwa 10–26 m/s dreht, verfährt das zentrisch angeordnete Werkstück mit einem radialen Vorschub von etwa 20-80 mm/min zum äußeren Rand.[1] Ein geeignetes Kühlschmiermittel vermindert die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück und führt einen Großteil der entstehenden Wärme ab, weswegen es wesentlich das Arbeitsergebnis beeinflusst. Die Dicke der abgetrennten Scheiben beträgt in der Regel zwischen 0,3 und 1,5 mm.[1]

Innenlochtrennen mit Folien

Diese Verfahrens- bzw. Maschinenvariante ist sehr selten und in der Anwendung technisch extrem anspruchsvoll. Das Zerspanwerkzeug besteht hier aus einer dünnen Metallfolie mit einem runden Loch in der Mitte.

Die Metallfolie wird hierbei im äußeren Bereich trommelähnlich mit Kräften nahe der Dehngrenze auf einem Ring gespannt, so das sich eine größtmögliche Stabilität der Folieninnenkante für die (geringe) Schnittbelastung ergibt. Durch die mögliche Auswahl sehr dünner Folien ergeben sich dabei entsprechend die dünnsten möglichen Schnittbreiten in der gesamten Zerspanungstechnik und eine sonst unerreichbare Präzision bzw. geometrischer Planarität durch die verfahrensbedingt geometrisch praktisch perfekt ebenen Ausfluchtung der Folie unter der rundum gleichmäßig wirkenden Spannung.
Die Kühlung erfolgt hier in der Regel über Luftzufuhr.

Kristall

Ein Kristall ist ein Körper, dessen Atome oder Moleküle nicht zufällig, sondern regelmäßig in einem Kristallgitter angeordnet sind. Bekannte Kristallmaterialien sind Kochsalz, Zucker, Minerale und Schnee – aber auch die Metalle.

Genauere Definition, Unterscheidungen

Die charakteristische Eigenschaft eines Kristalls ist seine Fernordnung. Der Kristall ist dreidimensional periodisch aus gleichbleibenden Struktureinheiten aufgebaut.[1] Diese Struktureinheit heißt Einheitszelle oder Elementarzelle. Ein Kristall ist ein homogener Körper, denn er ist stofflich und physikalisch einheitlich. Aber die physikalischen Eigenschaften variieren mit der Raumrichtung, d. h. ein Kristall ist anisotrop.[2] Die Wissenschaft, welche die Eigenschaften und Formen von Kristallen erforscht, ist die Kristallographie.
idiomorph gewachsene Halit-Kristalle

Je nach Ausprägung der äußeren Form unterscheidet man

* unbeeinträchtigt ausgebildete, sogenannte idiomorphe (altgriechisch ?d??? eigen und µ??f? Gestalt) Kristalle und
* xenomorphe (altgriechisch ????? fremd und µ??f? Gestalt) Kristalle, deren äußere Form durch fremde Grenzflächen bestimmt ist.

Der idiomorphe Kristall weist in seiner äußeren Form auf die jeweilige Kristallstruktur hin. Deshalb sind z. B. ungestört gewachsene Natriumchloridkristalle (Kochsalz, Mineral Halit) würfelförmig.

Im Regelfall liegt ein kristalliner Festkörper als Polykristall und nicht als Einkristall vor, das heißt der Körper besteht aus vielen kleinen Kristallen (Kristalliten), die durch Korngrenzen voneinander getrennt sind. Liegen verschiedene Kristallarten nebeneinander vor, so spricht man von Phasengrenzen.

Da die charakterische Eigenschaft von Kristallen die regelmäßige Anordnung in allen drei Raumrichtungen ist, sind auch Körper denkbar, deren Bausteine sich nur in einer oder zwei Raumrichtungen wiederholen. Dann lässt sich von eindimensionalen und zweidimensionalen Kristallen sprechen. In der Natur kommen Membranproteine vor, die sich als zweidimensionale Kristalle in der Biomembran anordnen. Ein Beispiel ist Bacteriorhodopsin.[3] In der Strukturbiologie werden 2D-Kristalle gezüchtet, um die Atompositionen der kristallisierten Makromoleküle mittels Elektronen-Kryomikroskopie zu ermitteln.[4]
Kein Kristall, sondern ein zweidimensionaler Quasikristall: Die Penrose-Parkettierung wiederholt sich bei einer vollständigen Drehung fünf mal (fünfzählige Rotationssymmetrie), aber nicht bei einer Verschiebung. Sie besitzt also keine translationssymmetrische Fernordnung.

Außer Kristallen gibt es auch Körper, die keine innere Fernordnung haben und amorph genannt werden. Ein Beispiel ist Glas (auch sogenanntes Bleikristall und anderes Kristallglas). Weiter gibt es Quasikristalle, die zwar wohlgeordnet sind, sich jedoch nicht in regelmäßigen Abständen wiederholen. Sie besitzen also keine Translationssymmetrie.[5] [6] Ein Beispiel für einen 2D-Quasikristall ist eine Penrose-Parkettierung, die aus zwei verschiedenen Kacheln so angeordnet ist, dass sich nur eine fünfzählige Rotationssymmetrie ergibt.

Wenn eine Flüssigkeit anisotrop ist und dadurch einige Eigenschaften eines Kristalls aufweist, bezeichnet man sie als Flüssigkristall.
Wortherkunft

Der Begriff Kristall stammt von dem griechischen Wort ???sta???? (krýstallos), das Bergkristall und Eis bedeutet.[7] Bei dem bereits im antiken Griechenland betriebenen Bergbau wurden wahrscheinlich Quarz-Kristalle entdeckt. Sie wurden für Eis gehalten, das bei so tiefen Temperaturen entstanden sein müsse, dass es nicht mehr schmelzen könne. Diese Ansicht war bis ins frühe Mittelalter verbreitet. Über das lateinische crystallus hat sich die althochdeutsche Bezeichnung kristallo gebildet, die sich im Laufe der Zeit zu Kristall gewandelt hat.[7]

Struktur und Klassifikation

Chromalaun (KCr(SO4)2·12H2O) Oktaeder (2,5 cm Kantenlänge)

Die Richtung und die Länge der Vektoren, um die eine Kristallstruktur verschoben werden kann, so dass sich die Atompositionen wiederholen,[8] beschreiben die Achsen des Kristallgitters (oder kurz Kristallachsen). Daher wird die Struktur jeder Kristallart mit einem eigenen, spezifischen Koordinatensystem, dem Achsensystem, dargestellt.[9] Neben der Verschiebung kann eine Kristallstruktur auch gedanklich um diese Achsen gedreht werden, bis sich die gedrehte Struktur mit der ursprünglichen Struktur deckt. Weil die Translationssymmetrie erhalten bleiben muss, können nur Drehsymmetrieen vorkommen, die in einer vollständigen Drehung (360°) eine, zwei, drei, vier oder sechs Wiederholungen beschreiben. Es wird dabei von 1-zähligen, 2-, 3-, 4- oder 6-zähligen Achsen gesprochen.[10] Es gibt Kristalle, die außer Drehachsen und Translation weitere Symmetrieelemente aufweisen, nämlich Spiegelebenen und Inversionszentren.[11]

Für die Klassifizierung von Kristallen werden die Symmetrieeigenschaften verwendet.[12] Dabei ist die Anzahl der denkbaren Kombinations-und Kopplungsmöglichkeiten von Symmetrieelementen beschränkt (siehe auch Gruppentheorie). Es gibt bei zweidimensionalen Kristallen 17 ebene kristallographische Gruppen und bei dreidimensionalen Kristallen 230 kristallographische Raumgruppen, die vollständig in den International Tables for Crystallography, Vol. A aufgeführt sind.[13]

Wird ein neuer Kristall untersucht, ist die Raumgruppe zunächst unbekannt. Bei der Beschreibung der äußeren Form des Kristalls lässt er sich nur einer von 32 Punktgruppen oder Kristallklassen zuordnen. Diese Punktgruppen beschreiben die makroskopischen Symmetrieeigenschaften der Kristalle und fassen diejenigen Raumgruppen zusammen, die sich nur in der Translationsymmetrie unterscheiden. Die Translation spielt bei der äußeren Betrachtung von Kristallen keine Rolle.[14] Die Punktgruppen basieren ihrerseits auf den Bravais-Gittern (siehe auch Kristallsystem).

Bei der Kristallstrukturanalyse lassen sich die Streumuster der Röntgenbeugung in elf zentrosymmetrische Punktgruppen einteilen, die Lauegruppen oder Laueklassen genannt werden. Denn auch bei nicht-zentrosymmetrischen Kristallstrukturen entstehen zentrosymmetrische Beugungsmuster, da die Reflexe als Friedelpaare mit normalerweise gleicher Intensität auftreten. Die Lauegruppen lassen sich demnach herleiten, indem ein Symmetriezentrum zu der Punktgruppe des Kristalls hinzugefügt wird.[15]

Die Kristallstruktur ist nicht stoffspezifisch, das heißt eine Substanz bzw. ein Mineral kann je nach äußeren Bedingungen (Druck, Temperatur etc.) unterschiedliche thermodynamisch stabile Strukturen besitzen, welche man als Modifikationen bezeichnet.

Die Regelmäßigkeit im Inneren spiegelt sich mitunter auch in der makroskopischen Gestalt des idiomorphen Kristalls wider. So sind zum Beispiel Eiskristalle sechseckig, während Kochsalzkristalle würfelförmig sind. Das äußere Aussehen eines Kristalls wird durch die voneinander unabhängigen Merkmale Kristallhabitus und Kristalltracht bestimmt. Die Kristallflächen werden ebenso wie Gitterebenen durch Millersche Indizes beschrieben. Die Untersuchung von Kristallstrukturen ist Aufgabenfeld der Kristallstrukturanalyse.

Gitterfehler

Ein realer Kristall enthält Gitterfehler, das heißt die dreidimensional-periodische Anordnung der Atome ist gestört. Man unterscheidet Punktfehler, Linienfehler, Flächenfehler und Volumenfehler. Punktfehler sind die einzigen Gitterfehler, die auch im thermodynamischen Gleichgewicht vorkommen.

Kristallisation

Ein Kristall entsteht, wenn die Temperatur einer Schmelze langsam genug unter den Schmelzpunkt sinkt und daraufhin die thermische Bewegung der einzelnen Atome einen so geringen Wert annimmt, dass die gegenseitigen Bindungen durch Schwingungen nicht mehr aufgebrochen werden können – es kommt zur Bildung eines einheitlichen Gitters, das durch Fernordnung geprägt ist. Das einheitliche Gitter hat eine geringere freie Enthalpie als das amorphe Glas, welches lediglich über eine Nahordnung verfügt. Man bezeichnet diesen Vorgang als Kristallisation.

Die Bildung eines Kristalls ist ein exergonischer Prozess: Zwar nimmt die Entropie im System ab (wegen Zunahme der Fernordnung), bei Temperaturen bis zum Schmelzpunkt wird dies jedoch durch eine Enthalpieabnahme infolge Anziehung zwischen den Teilchen (= Kristallisationswärme) überkompensiert.

Ausgangspunkt für die Kristallbildung ist ein Kristallisationskeim, der bei sinkender Temperatur wächst. Existieren viele solcher Kristallkeime oder setzt die Kristallisation an mehreren Stellen gleichzeitig ein, so entsteht ein Polykristall. Sinkt die Temperatur der Schmelze so schnell, dass sich die Atome nicht periodisch anordnen können, so entsteht ein amorphes Material, ein Glas. In vielen Fällen kommt es im Zuge der Kristallisation zu einem Verwachsen zweier Kristalle gleicher Struktur und Zusammensetzung, welche man in Folge als Kristallzwilling bezeichnet.

Unter einer Umkristallisation versteht man die Änderung einer Kristallstruktur, bedingt durch die Änderung äußerer Faktoren wie den Druck- und Temperaturbedingungen. Hierbei wechselt der kristalline Feststoff seine Modifikation.

Die künstliche Herstellung von Kristallen bezeichnet man als Kristallzucht.

Eigenschaften

Kristalle haben eine höhere Dichte als ihre amorphen Gegenstücke. Nichtmetallische anorganische Kristalle sind härter, aber auch spröder. Alle Metalle erstarren im Regelfall kristallin.

Das Verhalten von Licht in Kristallen wird durch die Kristalloptik beschrieben. Wichtige hiermit verbundene Eigenschaften und Phänomene sind die optische Aktivität, die Polarisation, die Doppelbrechung und der Pleochroismus. Periodische dielektrische Strukturen, so genannte photonische Kristalle, zeigen neuartige optische Eigenschaften.

Manche Kristalle, z. B. Quarzkristalle, haben piezoelektrische Eigenschaften. Sie bauen eine elektrische Spannung auf, wenn sie verformt werden und verformen sich, wenn elektrische Spannung angelegt wird.[16] Dieser Effekt wird in Piezofeuerzeugen genutzt, um Zündfunken zu generieren. In der Elektronik dienen piezoelektrische Schwingquarze als Taktgeber (z. B. in Quarzuhren). Einige piezoelektrische Kristalle, jedoch nicht alle, wandeln eine Temperaturdifferenz in eine Ladungstrennung um. Diese Eigenschaft wird Pyroelektrizität genannt.[17] Solche Kristalle werden in Bewegungsmeldern und Temperaturfühlern verwendet. Ein besonderer Fall der Pyroelektrizität ist die Ferroelektrizität: Bei ferroelektrischen Kristallen kann die elektrische Polarisation durch das Anlegen einer Spannung umgepolt werden.[18]

Formen und Beispiele

Viele Minerale sind in der Lage, eine Vielfalt an Kristallformen und Farben auszubilden. Bekannteste Beispiele sind zum einen der Quarz, dessen Ausbildungsformen den ganzen Bereich von makrokristallin-farblos (Bergkristall) bis mikrokristallin-buntfarbig (Achat) abdeckt und zum anderen der Calcit mit ähnlichem Reichtum an Varietäten.

Der Diamant ist eine kristalline Form des Kohlenstoffs und das härteste natürlich vorkommende Mineral. Auch Silizium kristallisiert im Diamantgitter. Es ist zurzeit der Stoff, der am häufigsten in großen Mengen einkristallin, also als Monokristall, verwendet wird, nämlich in der Halbleitertechnik. Im Gegensatz dazu weist Galliumarsenid (GaAs) die so genannte Zinkblende-Struktur auf. Die Nanotechnologie befasst sich unter anderem mit Nanokristallen. Auch organische Stoffe, z.B. die Proteine, bilden Kristalle.

Einkristall

Ein Einkristall oder Monokristall ist ein makroskopischer Kristall, dessen Bausteine (Atome, Ionen oder Moleküle) ein durchgehendes einheitliches, homogenes Kristallgitter bilden. Dies unterscheidet Einkristalle von polykristallinen Aggregaten, verzwillingten Kristallen oder amorphen Substanzen.

Chemische Einteilung

Man kann Einkristalle nach ihrem chemischen Aufbau in drei Gruppen einteilen:

Chemische Elemente
Einkristalle werden in der Halbleiterindustrie zur Herstellung von Wafern benötigt, beispielsweise aus Silicium. Große Einkristalle werden durch Animpfen von geschmolzenem Ausgangsmaterial mit einem kleinen Einkristall (Impfkristall) im Czochralski-Verfahren (Tiegelziehen) hergestellt. Eine andere Möglichkeit stellt das Zonenschmelzverfahren dar.

Chemische Verbindungen
Neben den Einkristallen aus einem chemischen Element werden in der Elektronik auch Einkristalle aus mehr oder weniger komplexen Verbindungen wie Galliumarsenid oder Lithiumniobat verwendet.
Zur Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen unter Anwendung von Röntgenstrahlen, Neutronenstrahlen oder Synchrotronstrahlen werden Einkristalle benötigt, um unter anderem die genauen Bindungslängen und die Anordnung der Atome in einem Molekül zu ermitteln. Die dafür verwendeten Kristalle sind dabei meistens kleiner als ein Millimeter.

(Biologische) Makromoleküle
Mit Hilfe der Einkristall-Röntgenstrukturanalyse werden die dreidimensionalen Strukturen von makrozyklischen Verbindungen, Naturstoffen, Proteinen, DNA und RNA bei hoher Auflösung bestimmt.

Anwendung zur Analyse

Die Kristallstrukturanalyse zur Aufklärung von Molekülstrukturen ist heute eine Standardmethode der Chemie und der Biochemie. Hierfür ist jedoch die Kristallisation der Moleküle Voraussetzung, was insbesondere bei biologischen Molekülen sehr schwierig sein kann. Idealerweise wird die Untersuchung an einem Einkristall durchgeführt. Manchmal ist dies unmöglich, da nicht genügend große Einkristalle einer Substanz zur Verfügung stehen. Heutzutage ist es zwar möglich, selbst das Beugungsmuster von Kristallpulvern im Rahmen einer Kristallstrukturanalyse auszuwerten, allerdings geht hierbei durch Überlagerung von Beugungsmaxima Information verloren, sodass die Ergebnisse von geringerer Qualität sind. Doch selbst aufwendig gezüchtete Einkristalle besitzen noch Gitterfehler.

Mechanisch-technische Anwendung

In der Technik werden Einkristalle wegen ihrer reproduzierbaren Eigenschaften eingesetzt. Da sie nahezu keine Korngrenzen oder anderen Strukturfehler besitzen, erhöht sich beispielsweise die mechanische Belastbarkeit des Materials. So werden z. B. Turbinenschaufeln als Einkristall aus Nickelbasis-Legierungen gefertigt. Dabei haben diese Einkristalle eine einheitliche Ausrichtung der Gitterstruktur, können aber durchaus mehrere Phasen besitzen.

Ingot

Der Ausdruck Ingot (engl. für Barren) wird im Deutschen nur in einer Spezialbedeutung verwendet: Man versteht darunter einen Block aus einem Halbleitermaterial wie Silicium. Ingots können monokristallin oder polykristallin aufgebaut sein.

Herstellung und Verarbeitung

Silicium-Rohmaterial kann zu Ingots geschmolzen werden

Monokristalline Ingots erhält man durch Ziehen aus der Schmelze an einem einzigen Impf-Kristall als Keim. Durch langsames Heben unter Rotation erzielt man im Czochralski-Verfahren diese charakteristisch geformten runden Säulen von 210 oder 300 mm Durchmesser und 2 m Höhe (Bild rechts).

Polykristalline Ingots (auch als multikristalline Ingots bezeichnet) entstehen als eckige Blöcke, wenn das Silicium-Rohmaterial (Bild links) eingeschmolzen und in die typische Quaderform gegossen wird.[1] Sie werden hauptsächlich in der Photovoltaik zur Herstellung von Solarzellen und in der Mikromechanik verwendet.

Ziele bei der Herstellung von hochwertigen Ingots sind:

* Reinigung des Ausgangsmaterials durch Abtrennung der Verunreinigungen während der Kristallisation
* Schaffung und Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit des hochreinen Siliciums durch Bor- und/oder Phosphor-Dotierung (engl.: doping)
* Rechteckiges Schneiden oder Fräsen der Rohblöcke für möglichst hohe Ausbeute an geeigneten Ingots für die Weiterverarbeitung (in geschnittenem Zustand auch als Brick (Ziegelstein) bezeichnet)
* Materialverschiebungen und Gitterfehler minimieren
* Vermeidung von thermisch verursachter mechanischer Spannung (Spannungsbildung beim Abkühlen vermeiden)
* Oberflächenbehandlung (Schleifen)
* Unterscheidung nach Größe, spezifischem elektrischen Widerstand/Leitfähigkeit und Lebensdauer

Säulen und Blöcke werden anschließend in Sägemaschinen eingespannt und über mehrere Stunden mithilfe einer Aufschlämmung (Slurry) aus sehr feinen Siliciumcarbid-Kristallen, die als Schleifmittel dienen, in Scheiben (Wafer) gesägt.

Wafer

Als Wafer werden in der Mikroelektronik, Photovoltaik und Mikrosystemtechnik kreisrunde oder quadratische, ca. 1 mm dicke Scheiben bezeichnet. Sie werden aus ein- oder polykristallinen (Halbleiter-)Rohlingen, sogenannten Ingots, hergestellt und dienen in der Regel als Substrat (Grundplatte) für elektronische Bauelemente, unter anderem für integrierte Schaltkreise (IC, „Chip“), mikromechanische Bauelemente oder photoelektrische Beschichtungen. Bei der Fertigung von mikroelektronischen Bauelementen werden in der Regel mehrere Wafer zu einem Los zusammengefasst und direkt hintereinander oder auch parallel bearbeitet (vgl. Losfertigung).
Wafer von 2 Zoll bis 8 Zoll
Ein polykristalliner Wafer, wie er für Solarzellen verwendet wird

Aufbau

Eine Scheibe besteht in den meisten Fällen aus monokristallinem Silicium, es werden aber auch andere Materialien wie Siliciumcarbid, Galliumarsenid und Indiumphosphid verwendet. In der Mikrosystemtechnik werden auch Glas-Wafer mit einer Dicke im 1-mm-Bereich verwendet.

Die Scheiben werden in verschiedenen Durchmessern gefertigt. Die zur Zeit hauptsächlich verwendeten Wafer-Durchmesser unterscheiden sich je nach Halbleiterwerkstoff und vorgesehenem Verwendungszweck (Silicium: 150 mm, 200 mm und 300 mm (450 mm sind in der Diskussion); Gallium-Arsenid: 2 Zoll, 3 Zoll, 100 mm, 125 mm und 150 mm (200 mm technisch machbar). Je größer der Wafer, desto mehr ICs können darauf untergebracht werden. Da bei größeren Wafern der geometrische Verschnitt kleiner wird, können die ICs kostengünstiger produziert werden (siehe Ausbeute (Halbleitertechnik)). Um die Ausbeute zu maximieren, werden die Wafer in Reinräumen produziert.

Die Herstellungskosten von unstrukturierten Wafern hängen vom Durchmesser und dem Material (Si, Ge, GaAs, usw.) sowie dem Herstellungsverfahren (siehe unten) ab. Die Kosten für bearbeitete Wafer – sogenannte strukturierte Wafer – steigen stark an, je mehr Prozessschritte durchgeführt wurden. Schon nach der Herstellung von STI-Strukturen haben sich die Kosten gegenüber unstrukturierten Wafern mindestens verdoppelt. Neben der Anzahl der durchgeführten Prozessschritte hängen die Kosten auch stark von der verwendeten Strukturgröße ab. Computerchips auf einem durchschnittlichen 200-mm-Wafer mit einer Strukturgröße von 90 nm (90-nm-Technologie) lagen Mitte 2008 bei ca. 850 Euro je Wafer. Die Produktionskosten von Spitzenprodukten in 45-nm-Technologie (auf 300-mm-Wafern), wie sie AMD und Intel produzieren, liegen jedoch deutlich höher. Je nach Chip-Größe lassen sich auf so einem Wafer einige Dutzend bis einige Hundert Chips herstellen. Nicht in diesen Kosten enthalten sind Aufwendungen, die nach der Chipherstellung entstehen, beispielsweise das Verpacken der Chips in Gehäuse.[1]

Herstellung

Ingot aus monokristallinem Silicium

Die Waferherstellung beginnt mit einem Block aus einem Halbleitermaterial, der Ingot genannt wird. Ingots können monokristallin oder polykristallin aufgebaut sein und werden zumeist mit einem der folgenden Verfahren hergestellt:

* Zonenschmelzverfahren
* Czochralski-Verfahren, u. a. das Liquid-Encapsulated-Czochralski-Verfahren (LEC-Verfahren)
* Bridgman-Stockbarger-Methode
* Vertical Gradient Freeze (VGF)
* Pedestalverfahren
* Blockgussverfahren oder Bridgman-Verfahren mit einem kontrollierten Schmelz- und Abkühlungsverlauf, für polykristallines Silicium[2]

Alle diese Verfahren liefern im Endeffekt mehr oder weniger zylinderförmige oder quadratische Ein- oder Polykristalle, die quer zu ihrer Längsachse in Scheiben, die Wafer, zersägt werden müssen. Um die Präzision für diesen speziellen Schnitt bei möglichst wenig Verschnitt zu optimieren, wurde das Innenlochtrennen entwickelt. Die Schneidblätter tragen dabei die Schneidzähne (ggf. Schneiddiamanten) auf der Innenseite einer Innenbohrung, die etwas größer als der Rohlingsdurchmesser sein muss. Mittlerweile hat sich jedoch auch das Drahtsägen, das ursprünglich nur für Solar-Wafer entwickelt wurde, mehr und mehr etabliert.

In der Literatur finden sich spezielle Wafer-Bezeichnungen, die unter anderem angeben, welches Herstellungsverfahren genutzt wurde. So werden beispielsweise Wafer, die mit dem Czochralski-Verfahren hergestellt wurden, als CZ-Wafer bezeichnet. Analog dazu wird die Bezeichnung FZ-Wafer, für Wafer, die mit dem Zonenschmelzverfahren (engl. float zone) hergestellt wurden, verwendet.

Für die meisten Anwendungen müssen die Oberflächen der Wafer optisch spiegelnd poliert sein. Dazu werdern die Wafer zunächst geläppt und anschließend mittels einer chemisch-mechanischen Politur behandelt, bis die geforderte Oberflächenrauigkeit (wenige Nanometer) erreicht ist. Weitere wichtige Geometrieparameter von Wafern sind die globalen Dickenschwankungen (englisch total thickness variation, TTV), die Art und Größe der Verwölbung (engl. wafer warp) bzw. Verbiegung (engl. wafer bow) uvm.[3]

Kennzeichnung

Konventionen für die Kennzeichnung von Wafern (1–4?)

Da für die Verarbeitung der Wafer die exakte Position in der bearbeitenden Maschine wichtig ist, wurden die Wafer früher (bei GaAs bis 125 mm Durchmesser auch heute noch) mit sogenannten „Flats“ (engl. für »Abflachung«) gekennzeichnet. Dabei wird mit Hilfe eines primären und eventuell eines sekundären Flats angezeigt, welche Winkelorientierung vorliegt und welche Kristallorientierung die Oberfläche hat (siehe Abbildung). Heute werden statt der Flats sogenannte Notches (Kerben) eingesetzt. Sie bieten den Vorteil der genaueren Positionierung und verursachen vor allem weniger Verschnitt.

Heutzutage wird außerdem eine eindeutige Waferkennzeichnung als Barcode, OCR-lesbarer Text und/oder Double dot matrix per Laser auf eine Stelle am Rand oder die Unterseite des Wafers geschrieben.

In der Photovoltaik

pseudoquadratische Solarzelle aus monokristallinem Silicium

In der Photovoltaik werden im Allgemeinen zwei Typen von Wafern unterscheiden: polykristalline (auch multikristallin genannt) und monokristalline Wafer. Die Herstellung erfolgt für beide Typen durch Sägen von entsprechenden Ingots. Polykristalline Ingots werden aus quaderförmigen polykristallinen Silicium-Blöcken hergestellt, woraus sich die Form der Wafer ergibt (meist quadratisch). Monokristalline Wafer werden hingegen aus zylinderförmigen monokristallinen Ingots geschnitten, wie sie auch in der mikroelektronische Anwendungen genutzt werden. Sie besitzen in der Regel eine „pseudoquadratische“ Form, d. h. mit abgerundeten Ecken. Im Unterschied zu quadratisch geschnittenen Wafern fällt bei der Erzeugung aus den runden monokristallinen Ingots weniger Verschnitt an. Ineffiziente, verschnittreiche Verfahren sind kostensteigernd und verschlechtern die Umweltbilanz. Außerdem ist der Verschnitt durch die Schneidhilfsmittel und den Drahtabrieb verunreinigt (sogenannter Slurry) und kann nur schwer wieder zurückgewonnen werden. Andere Verfahren wie „Edge-defined Film-fed Growth“ (EFG) der Schott Solar oder „String Ribbon“ (SR) der Firma Evergreen Solar ermöglicht es, sehr dünne Wafer direkt aus der Schmelze zu ziehen.[4] Das abwasser-, energie-, und abfallintensive Sägen entfällt hierbei.[5] Die Waferdicke ist meist wesentlich dünner als in der Mikroelektronik, circa 200 µm in der aktuellen Massenproduktion. Es werden keine Polierverfahren verwendet. Aus den Wafern werden in mehreren nachfolgenden Bearbeitungsschritten Solarzellen und hieraus wiederum Solarmodule hergestellt.

Solarzelle

Eine Solarzelle oder photovoltaische Zelle ist ein elektrisches Bauelement, das kurzwellige Strahlungsenergie, in der Regel Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie wandelt. Die Anwendung der Solarzelle ist die Photovoltaik. Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der photovoltaische Effekt, der ein Sonderfall des inneren photoelektrischen Effekts ist.

Solarzellen unterscheiden sich dadurch grundsätzlich von anderen Arten der regenerativen Elektrizitätserzeugung, bei denen lediglich die Antriebsenergie für den Generator nichtkonventionell erzeugt wird.

Manchmal werden auch Elemente eines Sonnenkollektors als Solarzelle bezeichnet. Sie erzeugen aber keinen elektrischen Strom, sondern Prozesswärme und ersetzen beispielsweise Warmwasser-Boiler.

Einteilung

Solar-Panel
Schwarzlichttest der GaAs triple-junction Solarzellen der Raumsonde Dawn[1]

Solarzellen kann man nach verschiedenen Kriterien einordnen. Das gängigste Kriterium ist die Materialdicke. Hier wird nach Dickschicht- und Dünnschichtzellen unterschieden.

Ein weiteres Kriterium ist das Material: Es werden zum Beispiel die Halbleitermaterialien CdTe, GaAs oder Kupfer-Indium-Selen-Verbindungen eingesetzt, weltweit am häufigsten jedoch Silizium.

Die Kristallstruktur kann kristallin (mono-/polykristallin) oder amorph sein.

Neben Halbleitermaterialien gibt es auch neue Ansätze zum Material, wie organische Solarzellen und Farbstoffsolarzellen.

Materialien

1. Siliziumzellen
* Dickschicht
o Monokristalline Zellen (c-Si)
großtechnisch Wirkungsgrad über 20 %, Leistungsdichte 20–50 W/kg; gut beherrschte Technik; allerdings erfordert die Herstellung einen sehr hohen Energieeinsatz, der sich negativ auf die Energierücklaufzeit auswirkt.
o Polykristalline Zellen, auch Multikristalline Zellen genannt (poly-Si oder mc-Si))
inzwischen sind großtechnisch Wirkungsgrade bis 16 % möglich, relativ kurze Energierücklaufzeiten, derzeit die Zelle mit dem günstigsten Preis-Leistungs-Verhältnis (Stand: September 2008). Experimentelle Zellen erreichen bis zu 18,6 % Wirkungsgrad[2].
* Dünnschicht
o Amorphes Silizium (a-Si)
höchster Marktanteil bei den Dünnschichtzellen; Modulwirkungsgrade zwischen 5 und 7 %, Leistungsdichte bis ca. 2000 W/kg; keine Material-Engpässe selbst bei Produktion im Terawatt-Maßstab
o Kristallines Silizium, z. B. mikrokristallines Silizium (µc-Si)
in Kombination mit amorphem Silizium höhere Wirkungsgrade bis 10 %[3]; Herstellung ähnlich zu amorphem Silizium
* Si Wire Array (Laborstadium)
Durch Bestücken einer Oberfläche mit dünnsten Drähten ist diese neue Solarzelle biegsam und benötigt nur 1 % der Siliziummenge verglichen mit herkömmlichen Solarzellen.[4][5]
2. III-V-Halbleiter-Solarzellen
* GaAs-Zellen
hohe Wirkungsgrade (im Jahr 2009 bis 41,1 %[6]), sehr temperaturbeständig, geringerer Leistungsabfall bei Erwärmung als kristalline Siliziumzellen, robust gegenüber UV-Strahlung, sehr teuer in der Herstellung, werden häufig in der Raumfahrt eingesetzt (Galliumindiumphosphid, (Ga,In)P/Galliumarsenid, GaAs/Germanium, Ge). Tripelzellen (Mehrfachsolarzellen mit drei monolithisch gestapelten p-n-Übergängen) haben den höchsten kommerziell lieferbaren Wirkungsgrad von fast 30 % mit einer Leistungsdichte von 50 W/kg (bei 17 % um 1000 W/kg).
3. II-VI-Halbleiter-Solarzellen
* CdTe-Zellen
sind großtechnisch durch Chemical Bath Deposition oder Chemische Gasphasenabscheidung sehr günstig herstellbar und finden Verwendung in Dünnschichtsolarzellen; für eine Laborsolarzelle sind schon etwa 16 % erreicht worden, Modul-Wirkungsgrade inzwischen (2007) bei 10 %, Langzeitverhalten noch nicht bekannt.
4. I-III-VI-Halbleiter-Solarzellen
* CIS-, CIGS-Solarzellen (Chalkopyrite)
steht für Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Dieses Material findet Anwendung in Dünnschichtsolarzellen – hier ist CIGS das leistungsstärkste Material mit Laborwirkungsgraden von fast 20 %. Der Modul-Wirkungsgrad beträgt 10–12 %.
5. Organische Solarzellen (OPV)
Die organische Chemie liefert Werkstoffe, die möglicherweise eine kostengünstige Fertigung von Solarzellen erlauben. Bisheriger Nachteil ist ihr deutlich schlechterer Wirkungsgrad von ca. 8% (Stand Juli 2010)[7] und die recht kurze Lebensdauer (max. 5000 h) der Zellen.
6. Farbstoffzellen
oder auch Grätzel-Zellen nutzen organische Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie; ein Vorgang, der an die Photosynthese anlehnt. Sind meistens lila. Diese Zellen liefern den besten Wirkungsgrad aller organischen Solarzellen von über 10 %, haben jedoch aufgrund aggressiver Elektrolyte eine begrenzte Lebensdauer.
7. Halbleiter-Elektrolytzellen
z. B. Kupferoxid/NaCl-Lösung. Sehr einfach herstellbare Zelle, jedoch in Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit limitiert.

Materialverfügbarkeit

Silizium, der Grundstoff für die Solarzellen, steht in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung. Die vor einiger Zeit aufgetretenen Materialengpässe an reinem Silizium, die durch unzureichende Produktionskapazitäten hervorgerufen wurden, konnten durch Erhöhung der Kapazitäten inzwischen beseitigt werden. Deshalb sinken die Preise für Solarzellen stark.[8].

Bei exotischeren Solarzellenmaterialen wie etwa beim Indium, Gallium, Tellur und Selen sieht die Situation grundlegend anders aus. Bei den seltenen Metallen Indium und Gallium überschreitet bereits derzeit der weltweite Verbrauch (Indium etwa 850 Tonnen, bei Gallium etwa 165 Tonnen) die jährliche Produktionsmenge um ein Mehrfaches (USGS Minerals Information). Besonders nachteilig ist der stark steigende Verbrauch von Indium in Form von Indium-Zinn-Oxid in der Flüssigkristall- und OLED-Bildschirmherstellung, sowie die Verwendung von Gallium und Indium in der Produktion von Leuchtdioden, die sich als energiesparender Glühlampenersatz und als Hintergrundbeleuchtung für Flachbildschirme derzeit in der Markteinführung befinden.

Beim Indium wird daher noch in diesem Jahrzehnt mit einem Versiegen der Ressourcen gerechnet, da sich die theoretischen Indiumvorräte auf nur 6000 Tonnen, die ökonomisch abbaubaren Reserven auf sogar nur 2800 Tonnen belaufen.[9] [10]

Die Situation bei Selen und beim noch selteneren Tellur (beide Halbmetalle liegen in geringer Konzentration im Anodenschlamm der Kupferelektrolyse vor) erscheint auf den ersten Blick weniger kritisch, da die Kupferproduzenten derzeit nur einen Teil des in Metallelektrolyse anfallenden Anodenschlamms zur Selen- oder Tellurgewinnung einsetzen. Die ökonomisch erschließbaren Selenreserven werden jedoch nur auf 82.000 Tonnen, die Tellurreserven gar auf nur 43.000 Tonnen geschätzt. Dies ist extrem wenig, selbst im Vergleich zu den Reserven des ebenfalls nicht besonders häufigen Buntmetalls Kupfer von 550 Millionen Tonnen.

Problematisch ist, dass viele Produktionsprozesse, in denen Gallium, Indium, Selen und Tellur eingesetzt werden, eine ungünstige Materialökonomie aufweisen.

Recyclingansätze, die etwa beim Kupfer zum normalen Materialkreislauf gehören, greifen bei Gallium, Indium, Selen und Tellur nicht. Die Materialien werden meist in komplexe Vielstoff-Schichtstrukturen eingebunden und dadurch so fein verteilt, dass eine Rückgewinnung auch in Zukunft vermutlich nicht möglich sein wird.
Bauformen
Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Silizium (mono- und polykristallin)
Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Galliumantimonid

Neben dem Material ist die Bauweise von Bedeutung. Man unterscheidet verschiedene Oberflächenstrukturierungen und Anordnungen der Kontaktierung der transparenten, jedoch hochohmigen Deckelektrode (schmale oder sogar durchsichtige Kontakte).

Weitere Bauformen sind Stapeltechniken durch Materialkombinationen unterschiedlicher Absorptionswellenlängen, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden kann. Es wird versucht, die Materialien so zu wählen, dass das einfallende Sonnenspektrum maximal ausgenutzt wird.

Derzeitig sind kommerziell erhältliche Solarzellen aus Halbleitermaterialien, überwiegend aus Silizium. Auch III/V-Halbleitermaterialien werden verwendet (unter anderem an Raumsonden). Wegen ihrer hohen Kosten werden sie für terrestrische Anwendungen in Konzentrator-Systemen verwendet. Polymere Solarzellen befinden sich noch in der Forschung.

Halbleitersolarzellen werden zur Energiegewinnung meist zu großen Solarmodulen verschaltet. Die Zellen werden dafür mit Leiterbahnen an Vorder- und Rückseite in Reihe geschaltet. Dadurch addiert sich die Spannung der Einzelzellen, und es können dünnere Drähte für die Verschaltung verwendet werden als bei einer Parallelschaltung. Als Schutz vor einem Lawinendurchbruch in den einzelnen Zellen (etwa bei Teilabschattung) müssen jedoch zusätzlich Schutz-Dioden (Bypass-Dioden) parallel zu den Zellen eingebaut werden, die von Abschattung betroffene Zellen überbrücken können.

Solaranlagen werden manchmal mit einer mechanischen Nachführung ausgestattet. Die Solaranlage wird dadurch elektrisch dem Sonnenstand angepasst, um die Ausbeute an elektrischer Energie aus der Sonnenenergie zu erhöhen.
Funktionsprinzip
Einfallende Photonen erzeugen Elektronen und Löcher, die im elektrischen Feld der Raumladungszone des p-n-Übergangs getrennt werden.
Bandstruktur einer einfachen pin-dotierten Siliziumsolarzelle

Solarzellen aus Halbleitermaterialien sind im Prinzip wie großflächige Photodioden aufgebaut. Sie werden jedoch nicht als Strahlungsdetektor, sondern als Stromquelle betrieben.

Die Besonderheit von Halbleitern ist, dass sie durch zugeführte Energie (elektromagnetische Strahlung) freie Ladungsträger erzeugen (Elektronen und Löcher, siehe Generation). Um aus diesen Ladungen einen elektrischen Strom zu erzeugen, ist ein internes elektrisches Feld nötig, um die erzeugten Ladungsträger in unterschiedliche Richtungen zu lenken.

Dieses interne elektrische Feld wird durch einen p-n-Übergang erzeugt. Da Licht in Materialien gewöhnlich exponentiell schwächer wird, muss dieser Übergang möglichst nahe an der Oberfläche liegen, und die Übergangszone mit dem elektrischen Feld sollte möglichst weit in das Material hineinreichen. Diese Übergangszone (Raumladungszone) wird durch gezielte Dotierung des Materials eingestellt (siehe Halbleitertechnologie). Um das gewünschte Profil zu erzeugen, wird gewöhnlich eine dünne Oberflächenschicht stark n-dotiert, die dicke Schicht darunter schwach p-dotiert. Das hat eine weitreichende Raumladungszone zur Folge. Wenn in dieser Übergangszone nun Photonen einfallen und Elektronen-Loch-Paare erzeugen (Photoeffekt), so werden durch das elektrische Feld die Löcher zum untenliegenden p-Material beschleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n-Kontakt auf der (sonnenzugewandten) Oberseite. Ein Teil der Ladungsträger rekombiniert auf dieser Strecke und geht in Wärme verloren, der übrige Photostrom kann direkt von einem Verbraucher benutzt, in einem Akkumulator zwischengespeichert oder mit einem netzgeführten Wechselrichter in das Stromnetz eingespeist werden. Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung (Maximum Power Point, Leistungsanpassung) liegt bei den gebräuchlichsten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei etwa 0,5 V.

Die Struktur von Solarzellen wird des weiteren so angepasst, dass möglichst viel Licht eingefangen wird und in der aktiven Zone Ladungsträger erzeugen kann. Dazu muss die Deckelektrode transparent sein, die Kontakte zu dieser Schicht müssen möglichst schmal sein, auf der Oberseite wird eine Antireflexionsschicht (zur Verringerung des Reflexionsgrades) aufgetragen. Die Antireflexionsschicht sorgt für die typisch bläuliche bis schwarze Farbe von Solarzellen. Unbeschichtete Solarzellen haben dagegen ein silbrig-graues Erscheinungsbild.

Manchmal wird die Vorderseite strukturiert oder aufgeraut. Wegen dieses Vorteils wurden ursprünglich Wafer mit Fehlern beim Schleifprozess o. a. als Ausgangsmaterial für Solarzellen verkauft. Schwarzes Silizium hat eine aufgeraute, nadelförmige Oberfläche, die sehr geringe Reflexionen aufweist.

Die Antireflexschicht wird bei modernen Solarzellen aus Siliziumnitrid mittels PE-CVD-Verfahren hergestellt. Die Schichtdicke beträgt dabei ca. 70 nm (Lambda-Viertel bei einer Brechzahl von 2,0). Darüber hinaus kommen noch Antireflexschichten aus Siliziumdioxid und Titandioxid, die beispielsweise per AP-CVD-Verfahren aufgebracht werden, zur Anwendung.

Über die Schichtdicke wird auch die Farbe bestimmt (Interferenzfarbe). Eine möglichst hohe Gleichmäßigkeit der Beschichtungsstärke ist dabei wichtig, da bereits Schwankungen um einige Nanometer in der Schichtstärke den Reflexionsgrad erhöhen. Blaue Reflexion ergibt sich aus der Einstellung der Antireflexschicht auf den roten Teil des Spektrums – der bevorzugten Absorptionswellenlänge des Siliziums. Prinzipiell sind jedoch auch beispielsweise rote, gelbe oder grüne Solarzellen auf diese Weise für spezielle architektonische Anwendungen herstellbar, sie haben jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad.

Im Falle von Siliziumnitrid und Siliziumdioxid erfüllt die Antireflexschicht dabei noch die Funktion einer Passivierungsschicht, die die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit herabsetzt. Die an der Oberfläche erzeugten Ladungsträger können dadurch – vereinfacht ausgedrückt – nicht so schnell rekombinieren, und die erzeugte Ladung kann als Spannung abgegriffen werden.

Typen von Silizium-Solarzellen

Polykristalline Solarzelle
Ein polykristalliner Wafer
Polykristallines Silizium

Das traditionelle Grundmaterial für Halbleitersolarzellen ist Silizium. Bis in das Jahr 2005 wurde vor allem Restsilizium aus der Chipproduktion verwendet, heute wird zunehmend Silizium speziell für die Solaranwendungen produziert. Silizium ist allgemein für die Halbleitertechnik nahezu ideal. Es ist preiswert, lässt sich hochrein und einkristallin herstellen und als n- und p-Halbleiter dotieren. Einfache Oxidation ermöglicht die Herstellung dünner Isolationsschichten. Jedoch ist die Ausprägung seiner Bandlücke als indirekter Halbleiter für optische Wechselwirkung wenig geeignet. Siliziumbasierte kristalline Solarzellen müssen eine Schichtdicke von mindestens 100 µm und mehr aufweisen, um Licht ausreichend stark zu absorbieren. Bei Dünnschichtzellen direkter Halbleiter, wie z. B. Galliumarsenid oder auch Silizium mit stark gestörter Kristallstruktur (siehe unten) genügen 10 µm.

Je nach Kristallaufbau unterscheidet man bei Silizium folgende Typen:

* Monokristalline Zellen werden aus sogenannten Wafern (einkristalline Siliziumscheiben) hergestellt, wie sie auch für die Halbleiterherstellung verwendet werden. Sie sind verhältnismäßig teuer.
* Polykristalline Zellen bestehen aus Scheiben, die nicht überall die gleiche Kristallorientierung aufweisen. Sie können z. B. durch Gießverfahren (s. u.) hergestellt werden und sind preiswerter und in Photovoltaik-Anlagen am meisten verbreitet. Häufig werden diese Zellen auch als polykristalline Solarzellen bezeichnet.
* Amorphe Solarzellen bestehen aus einer dünnen, nichtkristallinen (amorphen) Siliziumschicht und werden daher auch als Dünnschichtzellen bezeichnet. Sie können etwa durch Aufdampfen hergestellt werden und sind preiswert, haben im Sonnenlicht einen nur geringen Wirkungsgrad, bieten jedoch Vorteile bei wenig Licht, Streulicht und bei hoher Betriebstemperatur. Zu finden sind die amorphen Zellen beispielsweise auf Taschenrechnern oder Uhren.
* Mikrokristalline Zellen sind Dünnschichtzellen mit mikrokristalliner Struktur. Sie weisen einen höheren Wirkungsgrad als amorphe Zellen auf und sind nicht so dick wie die gängigen polykristallinen Zellen. Sie werden teilweise für Photovoltaikanlagen verwendet, sind jedoch noch nicht sehr weit verbreitet.
* Tandem-Solarzellen sind übereinandergeschichtete Solarzellen, meist eine Kombination von polykristallinen und amorphen Zellen. Die einzelnen Schichten bestehen aus unterschiedlichem Material und sind so auf einen anderen Wellenlängenbereich des Lichtes abgestimmt. Durch ein breiteres Ausnützen des Lichtspektrums der Sonne haben diese Zellen einen besseren Wirkungsgrad als einfache Solarzellen. Sie werden teilweise bei Photovoltaikanlagen verwendet, sind jedoch noch relativ teuer. Der für das Jahr 2008 geplante Start der Massenfertigung verspricht ein merkliches Kostensenkungspotential.

Herstellung aus Siliziumblöcken oder -stäben

Solarzellen können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden.
Silizium-Einkristall zur Waferherstellung, hergestellt nach dem Czochralski-Verfahren

Das Grundmaterial Silizium ist das zweithäufigste chemische Element, das in der Erdkruste vorkommt. Es liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vor. Aus Quarzsand kann in einem Hochofenprozess Rohsilizium, sogenanntes metallurgisches Silizium, mit Verunreinigungen von circa 1 bis 2 % hergestellt werden. 2005 wurden auf diese Weise 4,7 Mio. Tonnen Silizium hergestellt. Ein Großteil davon geht in die Stahlindustrie und in die Chemische Industrie. Nur ein kleiner Anteil des metallurgischen Siliziums wird für die Mikroelektronik und die Photovoltaik verwendet. Aus dem Rohsilizium wird dann über einen mehrstufigen auf Trichlorsilan basierenden Prozess polykristallines Reinstsilizium hergestellt. Der bis heute (2006) hier angewendete Siemens-Prozess ist ein CVD-Verfahren. Es wurde allerdings für die Mikroelektronik entwickelt und optimiert. Dort werden zum Teil völlig andere Anforderungen an die Qualität des Siliziums gestellt als in der Photovoltaik. Für Solarzellen ist beispielsweise die Reinheit des Wafers in seiner gesamten Stärke wichtig, um eine möglichst lange Ladungsträger-Lebensdauer zu gewährleisten. In der Mikroelektronik müssten dagegen prinzipiell nur die oberen etwa 20 bis 30 µm hochrein sein. Da mittlerweile der Verbrauch an hochreinem Silizium für die Photovoltaik den Verbrauch in der Mikroelektronik übertroffen hat, wird zur Zeit intensiv an speziellen, kostengünstigeren und für die Photovoltaik optimierten Herstellverfahren für Solarsilizium gearbeitet.

Der gesamte Herstellprozess für hochreines Silizium ist zwar sehr energieaufwendig, aber dennoch können die heute verwendeten Solarzellen die für ihre Produktion erforderliche Energiemenge – je nach Bauart – innerhalb von 1,5 bis 5 Jahren wieder kompensieren. Sie haben also eine positive Energiebilanz.

Das Reinstsilizium kann auf unterschiedliche Weise weiterverarbeitet werden. Für polykristalline Zellen kommen größtenteils das Gießverfahren, das Bridgman-Verfahren und das Bandzieh-Verfahren (EFG-Verfahren) zum Einsatz. Monokristalline Zellen werden fast immer nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt. Bei allen Verfahren gilt, dass die Dotierung mit Bor (siehe unten) schon beim Herstellen der Blöcke (Ingots) beziehungsweise Stäbe vorgenommen wird.
Blockgussverfahren

Dieses Verfahren dient zur Herstellung von polykristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen und dann in eine quadratische Wanne gegossen, in der es möglichst langsam abgekühlt wird. Dabei sollen möglichst große Kristallite in den Blöcken entstehen. Die Kantenlänge der Wanne beträgt etwa 50 cm, die Höhe der erstarrten Schmelze etwa 30 cm. Der große Block wird in mehrere kleine Blöcke von etwa 30 cm Länge zerteilt.

Ein weiteres Gießverfahren ist der Strangguss, wobei die Masse schon in der am Ende benötigten Stärke auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Der Vorteil ist, dass ein Sägevorgang mit seinen Verlusten entfällt.
Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient zur Herstellung von polykristallinem Silizium[11] und ist nach Percy Williams Bridgman benannt. Es ist nicht zu verwechseln mit der Bridgman-Stockbarger-Methode, die zur Herstellung von Monokristallen dient. Das Reinstsilizium wird hier ebenfalls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung bei über 1400 °C aufgeschmolzen. Die langsame Abkühlung der Schmelze, bei der sich große Zonen einheitlicher Kristalle ausbilden, findet hier im gleichen Tiegel statt. Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben im Tiegel angehoben, so dass sich oben bis zum Schluss flüssiges Silizium befindet, während vom Tiegelboden her das Erstarren erfolgt. Hier sind die Kantenlängen etwas größer als beim Gießverfahren (zumeist Standardgröße 690 mm)[12], die Höhe des Blocks beträgt etwa 20 bis 25 cm. Der große Block wird ebenfalls in mehrere kleine Blöcke von zumeist 156 mm Kantenlänge zerteilt. Dieser Arbeitsschritt wird Brikettieren genannt.[13]
Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird für die Herstellung von langen monokristallinen Stäben genutzt. Der sogenannte Impfkristall gibt die Orientierung im Kristall vor. Vor der Herstellung der Zellen wird der entstandene Zylinder noch zurechtgeschnitten.
Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren, auch Float-Zone-Verfahren genannt, dient auch der Herstellung monokristalliner Siliziumstäben. Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheit ist im Normalfall höher als für die Solartechnik benötigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden. Deshalb wird diese Technik für die Solartechnik eher selten benutzt. Das einzige Unternehmen, das Float-Zone-Wafer in nennenswerten Mengen für Solarzellen verwendet, ist das US-Unternehmen SunPower.
Waferherstellung

Die Kristallstäbe müssen nun mit einem Drahtsägeverfahren in Scheiben, die sogenannten Wafer, gesägt werden. Dabei entsteht aus einem großen Teil des Siliziums Sägestaub, der derzeit nicht mehr verwendbar ist. Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei etwa 0,18 bis 0,28 mm.

Eine weitere Quelle für Wafer war früher der Ausschuss an Rohlingen für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen der Halbleiterfertigung. Sind die Rohlinge dort zur Weiterverarbeitung ungeeignet, können sie teilweise noch als Solarzelle verwendet werden. Mit den heutigen (2005) Herstellungsverfahren und dem enorm gestiegenen Bedarf der Solarindustrie hat die Verwendung von Ausschuss heute keine Bedeutung mehr.

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine homogene Oberfläche aus, während bei den polykristallinen Zellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kristallorientierung unterschieden werden können – sie bilden ein eisblumenartiges Muster auf der Oberfläche.

Im Waferstadium sind Vorder- und Rückseite der Zelle noch nicht festgelegt.
Waferprozessierung

Die gesägten Wafer durchlaufen nun noch mehrere chemische Bäder, um Sägeschäden zu beheben und eine Oberfläche auszubilden, die geeignet ist, Licht einzufangen. Hier gibt es verschiedene, herstellerspezifische Konzepte.

Im Normalfall sind die Wafer schon mit einer Grunddotierung mit Bor versehen. Diese bewirkt, dass es überschüssige Defektelektronen (positive Ladungen) gibt, das heißt, es können Elektronen eingefangen werden. Das wird auch p-Dotierung genannt. Auf dem Weg zur fertigen Solarzelle mit p-n-Übergang muss nun die Oberfläche noch eine n-Dotierung bekommen, was durch Prozessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphäre geschieht. Die Phosphoratome schaffen eine Zone mit Elektronenüberschuss auf der Zelloberfläche, die etwa 1 µm tief ist. Nach der Diffusion mit Phosphor entsteht auf der Oberfläche des Wafers Phosphorglas. Um dieses zu entfernen, ist ein weiterer sehr kurzer Ätzschritt mit Flusssäure nötig. Danach wird in einem weiteren Ofen mittels PECVD die Antireflexschicht aufgetragen, die der Zelle erst die typische Farbe gibt.

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle, z. B. durch Siebdruck, mit den notwendigen Lötzonen und der Struktur, welche für den besseren Abgriff des generierten elektrischen Stroms sorgt. Die Vorderseite erhält meist zwei breitere Streifen, auf denen später die Bändchen zum Verbinden mehrerer Zellen befestigt werden. Außerdem wird ein sehr dünnes, elektrisch gut leitendes Raster aufgebracht, was einerseits den Lichteinfall so wenig wie möglich behindern und andererseits den ohmschen Widerstand der Deckelektrode verringern soll. Die Rückseite wird meist vollflächig mit einem gut leitenden Material beschichtet.

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischen und elektrischen Merkmalen klassifiziert, sortiert und für die Fertigung von Solarmodulen zusammengestellt.
Direkte Herstellung von Platten bzw. Schichten

Um den Umweg des Sägens von Wafern aus Kristallblöcken zu vermeiden, gibt es umfangreiche Aktivitäten, Solarzellen direkt zu erzeugen.
EFG-Verfahren

Beim EFG-Verfahren (von engl. edge-defined film-fed growth, ungefähre Übersetzung: „kantendefiniertes Filmwachstum“) werden aus einer elektrisch beheizten Graphitwanne aus flüssigem Reinstsilizium achteckige Röhren von etwa 6 bis 7 m Länge nach oben gezogen. Die Ziehgeschwindigkeit liegt im Bereich von ca. 1 mm/s. Die Kantenlänge der einzelnen Seiten beträgt 10 bzw. 12,5 cm, die Wandstärke ca. 280 µm. Nach Fertigstellung der Röhre wird diese entlang der Kanten mit NdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmten Raster dann über die Breite der jeweiligen Seite. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Herstellung von Zellen mit unterschiedlichen Kantenlängen (zum Beispiel 12,5 cm × 15 cm oder 12,5 cm × 12,5 cm). Es wird eine Ausbeute von etwa 80 % des Ausgangsmaterials erzielt. Bei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um polykristallines Material, welche sich vom Aussehen her deutlich von den gesägten Zellen unterscheidet. Unter anderem ist die Oberfläche der Zellen welliger. Ein Vorteil im Vergleich zum Sägen aus Blöcken ist die weitgehende Vermeidung von Verschnitt, der zudem nicht mit Schneideflüssigkeit (engl. slurry, vgl. Kolloide) verunreinigt ist. Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oder Octagon-Verfahren genannt.

Das EFG-Verfahren wird von der Firma Schott Solar (Deutschland) angewendet. Entwickelt wurde das Verfahren von der Firma ASE Solar (USA).
String-Ribbon-Verfahren

Weiterhin gibt es noch ein Verfahren der US-amerikanischen Firma Evergreen Solar, bei dem die Wafer zwischen zwei Fäden direkt aus der Siliziumschmelze gezogen werden[14]. Dabei entsteht weniger Abfall (wie Späne usw., die normalerweise direkt entsorgt werden) als bei den herkömmlichen Verfahren.
Schichttransfer-Verfahren

Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca. 20 µm dünne Schicht aus einkristallinem Silizium direkt flach auf einem Substrat gezüchtet. Als Trägermaterial eignen sich keramische Substrate oder auch speziell oberflächenbehandeltes Silizium, wodurch das Ablösen des entstandenen Wafers und die Wiederverwendung des Trägers gegeben ist. Die Vorteile dieser Verfahren sind der deutlich geringere Siliziumbedarf durch die geringe Dicke und der Wegfall der Sägeverluste. Der Sägevorgang als zusätzlicher Prozessschritt entfällt. Der erreichbare Wirkungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokristallinen Zellen.
Solarzellen aus „schmutzigem“ Silizium

Der Prozess des Zonenschmelzens und Dotierens lässt sich auch in eine bereits gefertigte, flache Platte bzw. Schicht verlagern. Das Prinzip ist, dass die Verunreinigungen durch Wärmebehandlung (mehrfach lateral fortschreitende Umschmelzung, z. B. mit Laserstrahlung) des Siliziums an wenigen Stellen konzentriert werden. [15].
Solarzellen aus speziellen Siliziumstrukturen

Seit den 2000er Jahren arbeiten verschiedene Forschungsgruppen an Solarzellen auf Basis von langen „Siliziumstäbchen“ (manchmal auch „Siliziummikrodrähte“ genannt) im Mikrometermaßstab.[16][17] Die einzelnen Siliziumstäbchen sind in der Regel einige Mikrometer dick und ca. 200 Mikrometer lang. Strukturen aus senkrecht zu einer Trägerfläche angeordneten Stäbchen zeigen gegenüber konventionellen Solarzellen aus Silizium eine erhöhte Absorption von Sonnenlicht in einem breiten Spektralbereich, vgl. Schwarzes Silizium.

Ein Beispiel für eine solche Solarzelle wurde 2010 von einer Arbeitsgruppe um Harry Atwater vom California Institute of Technology vorgestellt. Sie stellten über 100 Mikrometer lange Stäbchen mithilfe der sogenannten VLS-Technik[18] (von engl. vapor-liquid-solid) her, übergossen diese anschließend zur Stabilisierung mit durchsichtigem, biegsamem Kunststoff (Polydimethylsiloxan, PDMS) und lösten danach die fertige Zelle von der Platte.[16]. Diese Zellen zeigen, wie zuvor erwähnt, eine erhöhte Absorption von insgesamt bis zu 85 % des einfallenden Lichts über einen großen Spektralbereich. Die so erzeugten Solarzellen, im Laborstatus, haben einen hohen Wirkungsgrad. Ihre Herstellung verbraucht nur 1 Prozent der sonst zur Solarzellenproduktion üblichen Siliziummenge, außerdem sind diese Solarzellen biegbar.[19]
Andere Solarzellentypen
Dünnschichtzellen
Kleine, amorphe Si-Dünnschichtsolarzelle auf Glas, vier Zellen in Reihe
Rückseite (Schichtseite, braun lackiert)
Solarzellentypen

Dünnschichtzellen gibt es in verschiedenen Variationen, je nach Substrat und aufgedampften Materialien. Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften und der Wirkungsgrade ist entsprechend groß. Dünnschichtzellen unterscheiden sich von den traditionellen Solarzellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Siliziumwafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren und durch die Schichtdicken der eingesetzten Materialien. Die physikalischen Eigenschaften amorphen Siliziums, die von kristallinem Silizium verschieden sind, beeinflussen die Solarzelleneigenschaften. Manche Eigenschaften sind auch noch nicht vollständig verstanden.

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereits in einer dünnen Oberflächenschicht (ca. 10 µm) absorbiert. Es liegt daher nahe, Solarzellen sehr dünn zu fertigen. Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Siliziumwafern sind Dünnschichtzellen etwa 100-mal dünner. Diese Dünnschichtzellen werden meist durch Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial aufgebracht. Das kann Glas, Metallblech, Kunststoff oder auch ein anderes Material sein. Der aufwändige, im vorigen Kapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Siliziumblöcken kann also umgangen werden.

Das bisher gängigste Material für Dünnschichtzellen ist amorphes Silizium (a-Si:H). Solche Dünnschichtmodule sind langlebige Produkte. Outdoor-Tests zeigen stabile Wirkungsgrade über mehr als zehn Jahre. Mögliche weitere Materialien sind mikrokristallines Silizium (µc-Si:H), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen, die so genannten CIGS-Solarzelle bzw. CIS-Zellen, wobei hier je nach Zelltyp S für Schwefel oder Selen stehen kann. Ein neues Material, das neu in der Dünnschichttechnologie Anwendung findet, ist CZTS.

Für die Produktion von Strom ist ein hoher Wirkungsgrad erwünscht, der auch im Dünnschichtbereich inzwischen teilweise erreicht wird. Wirkungsgrade im Bereich von 20 % (20,3 % mit CIGS-Solarzellen, siehe [20]) für kleine CIGS-Laborzellen (˜ 0,5 cm²) sind durchaus möglich. CIGS-Dünnschichtmodule erreichen inzwischen ähnliche Wirkungsgrade wie Module aus polykristallinem Silizium (11–12 %, [21]).

Jedoch ist der Wirkungsgrad nicht das alleinige Kriterium bei der Auswahl. Wichtiger sind oft die Kosten, zu denen Strom aus den Solarzellen produziert werden kann. Dafür sind die verwendeten Herstellungsverfahren sowie die Kosten der eingesetzten Materialien verantwortlich. Darüber hinaus sind die Ausbeute, also das Verhältnis von der zur Herstellung aufgewendeten Energie zum Ertrag, sowie die Emission von Schadstoffen bei Produktion und über die Betriebszeit wichtige Kriterien. Aktuelle Studien belegen, dass Cadmiumtellurid-Dünnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Siliziumzellen aufweisen.[22]

Eine der Stärken der Dünnschichtmodule besteht darin, dass sie nicht auf ein rigides Substrat wie Glas oder Aluminium angewiesen sind. Bei aufrollbaren Solarzellen für den Wanderrucksack oder eingenäht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad in Kauf genommen; der Gewichtsfaktor ist wichtiger als die optimale Lichtumwandlung.

Eine weitere Stärke von Dünnschichtmodulen ist, dass sie einfacher und großflächiger produziert werden können, insbesondere die Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium. Diese machen daher heute den größten Marktanteil aus.

Zur Herstellung werden zum Teil Maschinen eingesetzt, die auch zur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt werden. Dabei werden Beschichtungsflächen von über 5 m² erreicht. Mit den Verfahren zur Herstellung von amorphem Silizium lässt sich auch kristallines Silizium in dünnen Schichten herstellen, sogenanntes mikrokristallines Silizium. Es vereint Eigenschaften von kristallinem Silizium als Zellenmaterial mit den Methoden der Dünnschichttechnik. In der Kombination aus amorphem und mikrokristallinem Silizium wurden in den letzten Jahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt.

Ein Verfahren für die Fertigung kristalliner Dünnschichtzellen aus Silizium ist CSG, (Crystalline Silicon on Glass); dabei wird eine weniger als zwei Mikrometer dünne Siliziumschicht direkt auf einen Glasträger aufgebracht; die kristalline Struktur wird nach einer Wärmebehandlung erreicht. Das Aufbringen der Stromführung erfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik. Dafür wurde 2005 von der Firma CSG Solar eine Fabrikationsanlage in Deutschland gebaut. Im Jahre 2008 produziert das Unternehmen 13 MWp mit der Produktion von Dünnschicht-Solarzellen.[23]

Es werden derzeit Dünnschichtsolarzellen aus schwarzem Silizium entwickelt, die einen etwa doppelten Wirkungsgrad erreichen sollen.[24]
Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle
Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik, engl: Concentrated PV, CPV) wird Halbleiterfläche eingespart, indem das einfallende Sonnenlicht zunächst auf einen kleineren Bereich konzentriert wird. Das erreicht man gewöhnlich durch Linsen, zumeist Fresnel-Linsen. Diese sind im Vergleich zu Halbleitern bezogen auf die Fläche preiswerter. Es kann somit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung einer größeren Fläche ausgenutzt werden. Häufig verwendete Materialien für Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter. Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehe nächster Abschnitt) verwendet, die für vollflächige Solarzellen unwirtschaftlich wären. Sie arbeiten noch zuverlässig bei mehr als dem 500-fachen der Sonnenintensität. Konzentratorsolarzellen müssen dem Sonnenstand nachgeführt werden damit ihre Optik die Sonnenstrahlung auf die Zellen bündeln kann. Zusätzlicher Effekt der Lichtkonzentration ist außerdem eine Erhöhung des Wirkungsgrades, da die Leerlaufspannung ansteigt. Die US-Energiebehörde hat mit dieser Technik Wirkungsgrade von über 40 % erreicht.[25]
Mehrfachsolarzellen

? Hauptartikel Tandem-Solarzelle

Mehrfachsolarzellen bestehent aus zwei oder mehr Solarzellen mit verschiedenem Material, die monolithisch übereinander geschichtet sind. Zweck dieser Anordnung ist es, den Wirkungsgrad der gesamten Anordnung zu erhöhen. Die Wirkungsgrade bei Labormustern von Tandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und 2009 über 40 %. So wurden am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzelle und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von 41,1 % erzielt.[26]
Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

Dieser Zelltyp ist auch bekannt als Grätzel-Zelle. Bei diesem Zelltyp wird der Strom anders als bei den bisher aufgeführten Zellen über die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewonnen; als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz. Als Farbstoffe werden hauptsächlich Komplexe des seltenen Metalls Ruthenium verwendet, zu Demonstrationszwecken können aber selbst organische Farbstoffe, zum Beispiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (aus Brombeeren), als Lichtakzeptor verwendet werden (diese besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer). Die Funktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklärt; die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, ist aber produktionstechnisch noch nicht in Sicht.
Organische Solarzellen
? Hauptartikel: Organische Solarzelle

Eine organische Solarzelle ist eine Solarzelle, die aus Werkstoffen der organischen Chemie besteht, d. h. aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen). Diese Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaften. Der Wirkungsgrad, mit dem Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, liegt mit ca. 8 % (Stand Juli 2010)[7] noch weit unter dem von Solarzellen aus anorganischem Halbleitermaterial. Organische Solarzellen bzw. Plastiksolarzellen, wie sie auch genannt werden, sind aufgrund der Möglichkeiten hinsichtlich günstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren ein aktuelles Forschungsthema. Die potentiellen Vorteile einer Solarzelle auf Kunststoffbasis gegenüber herkömmlichen Siliziumsolarzellen liegen klar auf der Hand:

* Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Produktionstechnologien
* Hohe Stromausbeuten durch Dünnschicht–Großflächentechnologien für Kunststoffe
* Flexibilität, Transparenz und einfache Handhabung (mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)
* Hohe Umweltverträglichkeit (Kunststoffe auf Kohlenstoffbasis)
* Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezielte Polymersynthese
* „Bunte“ Solarzellen für architektonische Stilelemente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wurden inzwischen viele Fortschritte erzielt.

Das Material für diesen Solarzellentyp basiert auf organischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifischer elektronischer Struktur, dem konjugierten pi-Elektronensystem, welches den betreffenden Materialien die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halbleiter verleihen. Typische Vertreter organischer Halbleiter sind konjugierte Polymere und Moleküle, wobei auch speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet werden. Die ersten Kunststoffsolarzellen, die aus konjugierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen (Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden, waren 2-Schicht-Solarzellen. Diese Zellen bestehen aus einer dünnen Schicht des konjugierten Polymers, auf die eine weitere dünne Schicht von Fullerenen aufgebracht wird. Aus technologischer Sicht stellen konjugierte Polymere und funktionalisierte Moleküle auf Grund ihrer Prozessierbarkeit aus der Flüssigphase attraktive Basismaterialien für die kostengünstige Massenproduktion flexibler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Struktur dar. Molekulare Halbleiter hingegen werden üblicherweise in vakuumgestützten Aufdampfprozessen zu wohldefinierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen die Herstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschichten und somit komplexere Zelltypen (z. B. Tandemzellen) zu.

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologische Potenzial, um als sogenannte „Low-cost Energy Source“ Einzug in die mobile Stromversorgung zu halten. Dies auch aufgrund der kostengünstigen Massenfertigung auf Basis etablierter Druckverfahren. Damit könnte mit der organischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereich erschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investitionskosten. Die Firma Konarka Technologies GmbH in Nürnberg hat 2009 erste organische Kollektoren für Mobilgeräte auf den Markt gebracht.[27]
Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen, die zunächst in einer Platte durch Fluoreszenz Licht größerer Wellenlänge erzeugen, um dieses an den Plattenkanten zu wandeln.
Thermische Photovoltaik-Zellen (TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen (TPV) werden Zellen auf Basis von InP (früher GaSb) verstanden, die nicht Sonnenlicht verwerten, sondern Wärmestrahlung, also Licht wesentlich höherer Wellenlänge. Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuere Arbeiten[28] bis auf 12 % gesteigert (vorher maximal 9 %). Eine potentielle Anwendung solcher Zellen wäre die Verwertung von Wärme, wie sie bei großtechnischen Anwendungen in großen Mengen entsteht und die bisher mit zusätzlichem Aufwand entsorgt werden muss.

Geschichte

? Hauptartikel: Geschichte der Photovoltaik

Dass man sich die Sonnenenergie aktiv zunutze machen kann, wussten schon die alten Griechen. Angeblich bündelten sie mit Spiegeln das Sonnenlicht bei der Belagerung von Syrakus im Jahre 212 v. Chr. und richteten die gebündelten Sonnenstrahlen gegen die römische Flotte, deren Segel daraufhin zu brennen anfingen. Die Griechen nutzen aber auch die Sonnenenergie zu friedlichen Zwecken wie zum Entzünden des olympischen Feuers im Tempel zu Delphi.

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischer Energie kann man grob in das Jahr 1839 datieren. Der Franzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest, dass eine Batterie, wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzt, eine höhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht. Er nutzte den Potentialunterschied zwischen einer verdunkelten und einer belichteten Seite einer chemischen Lösung, in die er zwei Platinelektroden eintauchte. Als er nun diese Konstruktion in die Sonne stellte, beobachtete er, dass ein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand. So entdeckte er den photovoltaischen Effekt, konnte ihn allerdings noch nicht erklären. Später wies man nach, dass auch andere Materialien wie Kupfer photoleitfähig sind.

Die Photoleitfähigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewiesen. Zehn Jahre später wurde die erste „klassische“ Photozelle aus Selen gefertigt. Wiederum zehn Jahre später, 1893, wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elektrizität gebaut.

1904 entdeckte der deutsche Physiker Philipp Lenard, dass Lichtstrahlen beim Auftreffen auf bestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberfläche herauslösen und lieferte damit die ersten Erklärungen für den Effekt der Photovoltaik. Ein Jahr später erhielt er den Nobelpreis für Physik für die Erforschung des Durchganges von Kathodenstrahlen durch Materie und für seine Elektronentheorie. Den endgültigen Durchbruch schaffte 1905 Albert Einstein, als er mit Hilfe der Quantentheorie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welle als auch als Teilchen erklären konnte. Bis dahin glaubte man, dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicher Wellenlänge auftritt. Doch Einstein stellte in seinen Versuchen, die Photovoltaik zu erklären, fest, dass sich Licht in manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhält, und dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photons nur von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Er beschrieb das Licht als eine Ansammlung von Geschossen, die auf das Metall treffen. Wenn diese Geschosse genügend Energie besitzen, wird ein freies Elektron, das sich im Metall befindet und von einem Photon getroffen wird, vom Metall gelöst. Außerdem entdeckte er, dass die maximale kinetische Energie der losgelösten Elektronen von der Intensität des Lichtes unabhängig ist und nur durch die Energie des auftreffenden Photons bestimmt wird. Diese Energie hängt wiederum nur von der Wellenlänge (oder der Frequenz) des Lichtes ab. Für seine Arbeit zum photoelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik.

Die Entdeckung des p-n-Übergangs (Kristallgleichrichters) im Jahre 1947 durch William B. Shockley, Walther H. Brattain und John Bardeen war ein weiterer großer Schritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form. Nach diesen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ihrer heutigen Form nichts mehr entgegen. Es ist jedoch einem glücklichen Zufall zu verdanken, dass diese erste Solarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischen Firma Bell gebaut wurde. Die Mitarbeiter der Firma (unter Teamleiter Morton Price) beobachteten, als sie einen Gleichrichter, der mit Hilfe von Silizium arbeitete, untersuchten, dass dieser mehr Strom lieferte, wenn er in der Sonne stand, als wenn er zugedeckt war. Bei Bell erkannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zur Versorgung des Telefonnetzes von ländlichen Regionen mit Strom, was bis dahin noch mit Batterien geschah. Die Firma Bell, genauer die Herren Chapin, Fuller und Pearson, entwickelte 1953 so die ersten Solarzellen aus Silizium, welche mit Arsen dotiert waren und einen Wirkungsgrad von etwa 4 % besaßen. Durch Wahl einer anderen Dotierung konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 % erhöht werden.
Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen der Solartechnik und rüstete 1958 zum ersten Mal einen Satelliten mit Solarzellen aus. Vanguard 1 startete am 17. März 1958 und war erst der vierte Satellit überhaupt. Er besaß ein Solarpanel, welches mit 108 Silizium-Solarzellen ausgestattet war. Diese dienten nur als Ladestation der Akkus und nicht zur direkten Stromversorgung. Dabei wurde errechnet, dass die Zellen einen Wirkungsgrad von 10,5 % besaßen. Die Konstrukteure hatten eine geringere Energieausbeute und eine kürzere Lebensdauer angenommen, so dass man diesen Satelliten nicht mit einem „Ausschalter“ versehen hatte. Erst nach acht Jahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschäden seinen Betrieb ein.

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle, die bis Anfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurden. Heutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mit rund 40.000 Solarzellen ausgestattet.

Im Weltraum steht der natürlichen Sonnenstrahlung im Vergleich zur Erdoberfläche nichts entgegen, keine Wolkendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr oder weniger verschmutzte Atmosphäre, die das Sonnenlicht behindert. Andererseits führen die extremen Strahlungsverhältnisse im Weltraum zu einer stärkeren Degradation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist. Seither versuchen Industrie und Forschung, immer größere Wirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradation und Strahlungsresistenz zu verbessern.
Grafik: Juno vor dem Jupiter

Üblicherweise werden Raumflugkörper durch Solarzellen mit Strom versorgt. Dadurch dass heutige für Raumfahrtzwecke verwendete Solarzellen nicht nur 50 % effizienter, sondern auch strahlungsresistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Siliziumzellen sind,[29] kann im Jahr 2011 die Raumsonde Juno als erste mit Solarzellen ausgerüstete Raumsonde zum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten.

Durch die Verwendung reineren Siliziums und besserer Dotierungsmöglichkeiten wurde der Wirkungsgrad gesteigert und die Lebensdauer erhöht. Mandelkorn und Lamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972 durch eine Reflexion der Minoritätsladungsträger, in dem sie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten. 1973 stellten Lindmayer und Ellison die sog. violette Zelle vor, die bereits einen Wirkungsgrad von 14 % besaß. Durch das Reduzieren des Reflexionsvermögens wurde 1975 der Wirkungsgrad auf 16 % gesteigert. Diese Zellen heißen CNR-Solarzellen (Comsat Non Reflection; Comsat = Telefonsatellit ) und wurden für Satelliten entwickelt. Inzwischen sind von Green sowie an der Stanford Universität und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgraden um 20 % entwickelt worden. Der theoretische Wirkungsgrad für Silizium-Solarzellen liegt bei 29 % für die Strahlungsverhältnisse in mittleren Breiten. Zu den Wirkungsgraden siehe auch technische Merkmale.

Maßgeblicher Anstoß für diese Entwicklung war Anfang der Siebziger die Vervierfachung des Ölpreises. Nach dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein Forschungsprogramm ins Leben, welches sich mit regenerativen Energien auseinandersetzte. Bis dahin kostete jedes Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfähig. Um die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevölkerung zu gewinnen, wurden Anfang der 1980er Rennen mit Solarmobilen ausgetragen, und im Juli 1981 überquerte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Ärmelkanal.

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit etwa 100 mm Kantenlänge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) die üblichste Baugröße. Danach wurden auch 125-mm-Zellen verstärkt eingeführt, und seit etwa 2002 sind auch 156-mm-Zellen (Kantenlänge 156 mm bzw. 6 Zoll) für Standardmodule eine gängige Größe.[30]

Formen und Größen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnik wurden häufig runde Zellen eingesetzt, deren Ursprung von den meist runden Siliziumstäben der Computerindustrie herrührt. Inzwischen ist diese Zellenform relativ selten, und es werden quadratische Zellen oder fast quadratische mit mehr oder weniger abgeschrägten Ecken eingesetzt. Als Standardformate werden derzeit Wafer mit einer Kantenlänge von 125 und 150 mm prozessiert; künftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlänge von 200 mm Bedeutung erlangen.

Durch Sägen der fertig prozessierten Zellen entstehen für spezielle Anwendungen im Kleingerätebereich auch Zellen mit kleineren Kantenlängen. Sie liefern annähernd die gleiche Spannung wie die großen Zellen, jedoch entsprechend der kleineren Fläche einen kleineren Strom.

Im EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt, bei denen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die gleichen Längen haben.
Degradation

Unter dem Begriff Degradation wird die alterungsbedingte Änderung der Parameter von Halbleiterbauteilen verstanden – in diesem Fall der Rückgang des Wirkungsgrades von Solarzellen im Laufe ihres Lebens.

Üblicherweise betrachtet man einen Zeitraum von bis zu 25 Jahren. Der Verlust an Wirkungsgrad liegt etwa im Bereich von 10 % bzw. 13 % in dem Zeitraum von 20 bzw. 25 Jahren[31]. Solarzellen im Weltraum altern wesentlich schneller, da sie einer höheren Strahlung ausgesetzt sind.

Nachlassende Wirkungsgrade bzw. Stromerträge bei Solarmodulen haben aber oft banalere Ursachen: allgemeine flächige Verschmutzung der Modulgläser; Veralgung („Verpilzen“) speziell vom Modulrahmen ausgehend, mit Teilabschattung der Zellen; wachsende Bäume und Sträucher, die eine Teilabschattung bewirken und bei der Installation noch deutlich kleiner waren; Vergilbung des polymeren Einbettungsmaterials, welches den Kontakt Zelle – Glas bewerkstelligt.
Kristalline Solarzellen
Bildung des Bor-Sauerstoff-Komplex in kristallinen Solarzellen

Bei heutigen Solarzellen beträgt der anfängliche Wirkungsgrad ca. 12–17 %. Oft geben die Hersteller von Solarzellen eine Mindestgarantie von 80 bis 85 % (Peak-Leistung) auf ihre Produkte nach 20 Jahren. Es ergeben sich also selbst nach langer Laufzeit (Betrieb) recht maßvolle Verluste, welche die/den Installation/Langzeiteinsatz einer Photovoltaikanlage rechtfertigen.

Für die Degradation verantwortlich sind im Wesentlichen rekombinationsaktive Defekte, die die Ladungsträgerlebensdauer auf ca. 10 % ihres Anfangswertes senkt (lichtinduzierte Degradation). Verantwortlich für die lichtinduzierte Degradation ist die Bildung von Bor-Sauerstoff-Komplexen in Czochralski-Silizium: Durch die Photoreaktion, bei der das Bor sein positiv geladenes Loch verliert und sich zu einem negativ geladenen Ion wandelt, wird der Sauerstoff angezogen. Der Sauerstoff lagert sich dadurch in die Verbindung zwischen dem Bor und dem Silizium ein.

Um den Effekt des Wirkungsverlustes zu minimieren, kann man Siliziumwafer mit einem niedrigerem Anteil an Bor und möglichst geringem Sauerstoffanteil verwenden (< 15 ppm). Bei der Verwendung von weniger Bor wird der Wafer jedoch aufgrund der geringeren Dotierung auch hochohmiger, wodurch der Wirkungsgrad der Zelle sinkt.

Untersuchungen haben gezeigt, dass Solarzellen bei Dotierung des p-Kristalls mit Gallium statt Bor keine wesentliche Degradation aufweisen.[32] Der geringere Wirkleistungsverlust konnte auch bei Gallium-dotiertem Silizium mit hohem Sauerstoffanteil nachgewiesen werden.[33]
Amorphe Siliziumsolarzellen

Eine besonders hohe Degradation von bis zu 25 % erreichen Solarzellen aus amorphem Silizium im ersten Betriebsjahr. Für Solarmodule aus diesem Material wird jedoch nicht die Leistung zu Beginn der Lebenszeit, sondern die Leistung nach dem Alterungsprozess in den Datenblättern und beim Verkauf angegeben. Solarmodule aus diesem Material haben also zunächst eine höhere Leistung als die, für die man bezahlt hat. Die Degradation, auch Staebler-Wronski-Effekt (SWE) genannt, erfolgt unter Lichteinstrahlung. Dabei erfährt das metastabile amorphe hydrogenierte Silizium (a-Si:H) eine Zunahme der Defektdichte um etwa eine Größenordnung, bei gleichzeitiger Abnahme der Leitfähigkeit und Verschiebung des Fermi-Niveaus in die Mitte der Bandlücke. Nach etwa 1000 Sonnenstunden erreichen a-Si-Zellen einen stabilen Sättigungswert für den Wirkungsgrad.
Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ? einer Solarzelle ist das Verhältnis der von ihr erzeugten elektrischen Leistung Pelektrisch und der Leistung der einfallenden Strahlung PLicht.

\eta = \frac{P_{\rm elektrisch}}{P_{\rm Licht}}

Ein hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert, weil er bei gleichen Lichtverhältnissen und gleicher Fläche zu einer größeren Ausbeute an elektrischem Strom führt.

Das thermodynamische Limit gilt für jede Maschine, die auf der Erde aus Sonnenlicht mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt (z. B. auch für Aufwindkraftwerke, Stirlingmotoren, etc.).
Thermodynamisches Limit I

Die gröbste Abschätzung des Wirkungsgrades erhält man durch den Carnot-Wirkungsgrad. Er beschreibt den maximalen Wirkungsgrad, den eine beliebige physikalische Maschine erreichen kann, wenn sie ihre Energie aus der Temperaturdifferenz von zwei Wärmebädern bezieht. Der Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Temperatur Twarm des wärmeren Bades und der Temperatur Tkalt des kälteren Bades gemäß:

\eta = 1 – \frac{T_\mathrm{kalt}}{T_\mathrm{warm}}

Im Falle der Solarzelle ist das wärmere Energiebad die Sonnenoberfläche mit einer Temperatur von etwa 5.800 K und das kältere Bad die Solarzelle mit einer Temperatur von 300 K. Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 %.
Thermodynamisches Limit II

Die Abschätzung im obigen Abschnitt vernachlässigt, dass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durch Strahlung übertragen wird. In einem ausführlicheren Modell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber. Dieser absorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber einen kleinen Teil der Wärmestrahlung wieder an die Sonne ab. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz fließt somit insgesamt die Wärmeleistung

\sigma T_\mathrm{Sonne}^4-\sigma T_\mathrm{Absorber}^4

von der Sonne zum Absorber, wobei s die Stefan-Boltzmann-Konstante ist. Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Wärme nur den Anteil

1 – \frac{T_\mathrm{Solarzelle}}{T_\mathrm{Absorber}}

in elektrische Arbeit überführen. Der Wirkungsgrad bestimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten von der Sonne abgestrahlten Leistung \sigma T_\mathrm{Sonne}^4 zu

\eta = \left(1-\frac{T_\mathrm{Absorber}^4}{T_\mathrm{Sonne}^4}\right)\cdot\left(1 – \frac{T_\mathrm{Solarzelle}}{T_\mathrm{Absorber}}\right)

Bei einer Temperatur von 5800 K für die Sonnenoberfläche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wirkungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2.500 K maximal und beträgt 85 %. [34]
Shockley-Queisser-Limit

Im Gegensatz zu den thermodynamischen Limits berücksichtigt das Shockley-Queisser-Limit den für Solarzellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in einem Halbleiter. In einer Solarzelle wird dadurch Licht in elektrische Energie umgewandelt, dass das Licht Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregt.

Entscheidend für die Energie, die man pro angeregtem Elektron gewinnen kann, ist dabei die Größe der Bandlücke Eg des Halbleiters. Unabhängig davon, wie weit das Elektron über die untere Kante des Leitungsbandes angeregt wird, erhält man pro Elektron maximal die Energie der Bandlücke als elektrische Energie. Bei der elektrischen Leistung, die man aus allen angeregten Elektronen gewinnt, muss man berücksichtigen, dass bei einer kleinen Bandlücke mehr Elektronen erzeugt werden. Bei einer großen Bandlücke hat jedes einzelne Elektron dafür mehr Energie. Es muss daher ein Kompromiss aus folgenden Grenzfällen gefunden werden:

* Große Bandlücke: Nur energiereiches Licht (blaues und ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugen, da längere Wellenlängen nicht absorbiert werden. Wegen der großen Bandlücke besitzt jedes Elektron eine hohe Energie.
* Kleine Bandlücke: Auch langwelliges Licht kann Elektronen anregen, so dass insgesamt viele Elektronen ins Leitungsband angeregt werden. Diese verlieren jedoch durch Stoßprozesse mit dem Kristallgitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teil ihrer Energie, bis sie nur noch die Energie der Bandlücke besitzen.

Die Energie in der elektromagnetischen (Sonnen-)Strahlung ist aus der Energie eines einzelnen Photons h? und der gesamten Anzahl der Photonen f(?) der Frequenz ?, d. h. dem Spektrum, gegeben.

E_\mathrm{Strahlung} = \int\limits_{0}^{\infty}h\nu\cdot f(\nu) \,\mathrm{d}\nu

Da nur die Photonen, deren Frequenz höher als Eg / h ist, absorbiert werden und jedes ein Elektron erzeugt, das nach seinen Relaxationsprozessen eine Energie von Eg besitzt, ergibt sich die insgesamte elektrische Energie der Elektronen zu

E_\mathrm{Elektronen} = E_\mathrm{g} \cdot \int\limits_{E_\mathrm{g}/h}^{\infty}f(\nu) \,\mathrm{d}\nu

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von EElektronen zu EStrahlung. Seine Größe hängt entscheidend von der Bandlücke Eg und dem Spektrum f(?) ab. Für eine Beleuchtung unter normalem, unkonzentriertem Sonnenlicht (AM1.5, Öffnungswinkel 0,5°) ergibt sich ein maximaler Wirkungsgrad von etwa 31 % bei einer Bandlücke von 1,3 eV. Wird das Licht mit einer Linse maximal auf die Solarzelle fokussiert (entspricht 46.200 Sonnen), steigt der maximale Wirkungsgrad auf 41 % bei einer Bandlücke von 1,1 eV. [35]

Diese Überlegungen gelten jedoch nur für den Fall einer Zelle mit nur einem pn-Übergang. Mit sogenannten Tandem-Solarzellen (engl.: multi-junction solar cell), in denen mehrere pn-Übergänge mit verschiedenen Bandlücken kombiniert sind, können prinzipiell auch höhere Wirkungsgrade erreicht werden, siehe Abschnitt Mehrfachsolarzellen.

Technische Merkmale

Die Kenngrößen einer Solarzelle werden für normierte Bedingungen, die Standard-Testbedingungen, häufig abgekürzt STC (engl. Standard Test Conditions) angegeben:

* Einstrahlungsstärke von 1000 W/m2 in Modulebene,
* Temperatur der Solarzelle 25 °C konstant,
* Strahlungsspektrum AM 1,5 global; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904).

Dabei steht AM 1,5 global für den Begriff Air Mass, die 1,5 dafür, dass die Sonnenstrahlen das 1,5-fache der Atmosphärenhöhe durchlaufen, weil sie schräg auftreffen. Das entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenheiten in Mitteleuropa von Norditalien bis Mittelschweden. Im Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblich tiefer, und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realistischer.

Durch die Absorption in der Atmosphäre verschiebt sich auch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. „Global“ steht für Globalstrahlung, die sich aus dem Diffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusammensetzt.

Dabei ist zu beachten, dass in der Realität insbesondere die Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung, die in Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wird, bei normalem Betrieb wesentlich höher liegt (je nach Anbringung, Windanströmung etc. kann sie zwischen etwa 30 und 60 °C liegen). Eine erhöhte Zellentemperatur bedeutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungsgrad der Solarzelle. Aus diesem Grund wurde auch eine weitere Bezugsgröße geschaffen, PNOCT, die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal operating cell temperature).
Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle, beleuchtet und unbeleuchtet
nichtlineare Kennlinie einer Solarzelle

Gebräuchliche Abkürzungen für die Bezeichnungen sind

* SC: Short Circuit – Kurzschluss
* OC: Open Circuit – Leerlauf
* MPP: Maximum Power Point – Betriebspunkt maximaler Leistung
* PR: Performance Ratio; Qualitätsfaktor der angibt, welcher Teil des vom Solargenerator erzeugten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zur Verfügung steht.

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

* Leerlaufspannung UOC (auch VOC)
* Kurzschlussstrom ISC
* Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt UMPP (auch VMPP)
* Strom im Betriebspunkt mit maximaler Leistung IMPP
* Maximale erzielbare Leistung PMPP Solarzellenhersteller geben diese unter standardisierten Bedingungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit kWp, sprich „Kilowatt-Peak“ an
* Füllfaktor FF = \frac{\rm P_{MPP}}{U_{\rm OC}\cdot I_{\rm SC}}
* Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
* Zellwirkungsgrad \eta = \frac{P_{\rm MPP}}{A\cdot P_{\rm opt}} mit der bestrahlten Fläche A und der Bestrahlungsstärke Popt

Solarzellen können also eine Leistung von sehr grob 160 W/m² abgeben. Eingebaut in ein Modul ist die Leistung pro Fläche geringer, da zwischen den Zellen und zum Modulrand Abstände vorhanden sind.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist das Verhältnis von erzeugter elektrischer Leistung zur Leistung der Globalstrahlung. Halbleiter mit fester Bandlücke nutzen nur einen Teil des Sonnenlichtes. Ihr maximaler theoretischer Wirkungsgrad liegt bei ca. 30 %. Der maximale theoretische Wirkungsgrad bei Multibandsystemen, die für alle Wellenlängen Farben des Sonnenlichts sensibilisiert sind, liegt bei ca. 85 %.
Materialsystem Wirkungsgrad (AM 1,5) Lebensdauer Modul-Kosten [36]
amorphes Silizium 5–10 % < 20 Jahre polykristallines Silizium 10–15 % 25–30 Jahre 3 EUR/W monokristallines Silizium 15–20 % 25–30 Jahre 3–10 EUR/W Galliumarsenid (Einschicht) 15–20 % Galliumarsenid (Zweischicht) 20 % Galliumarsenid (Dreischicht) 25 % (30 % bei AM0) > 20 Jahre 500–1500 EUR/W
Galliumindiumphosphid + Galliumindiumarsenid 40,8 %[37] (non-STC)
Galliumindiumnitrid
Cadmiumtellurid 5–12 % > 20 Jahre 1 EUR/W

Der maximale Wirkungsgrad kommerzieller, monokristalliner Zellen liegt bei ca. 20 Prozent (siehe Tabelle). Mit diesen Zellen hergestellte Solarmodule erreichen einen Modulwirkungsgrad von etwa 17 Prozent. Der Rekord für im Labor hergestellte Silizium-Solarzellen liegt bei 24,7 Prozent (University of New South Wales, Australien), mit denen Module mit über 22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden. Der Preis für diese im Zonenschmelzverfahren hergestellten Zellen liegt bei etwa 200 Euro pro Zelle bei einer Zellfläche von 21,6 cm2. Für GaAs-Systeme beträgt er das fünf- bis zehnfache.

Die Degradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten) liegt bei ca. 10 Prozent in 25 Jahren. Hersteller geben beispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent der Peak-Leistung nach 20 Jahren.

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante größer als die Globalstrahlung auf der Erde, andererseits altern die Solarzellen schneller. Solarpanele für Satelliten erreichen zur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 % [38] bei einer Betriebszeit von 15 Jahren.
Schaltbilder
Schaltsymbol einer Fotodiode
Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt, wie das Schaltsymbol einer Diode oder Photodiode, mit einem Pfeil die technische Stromrichtung zur Verschaltung an. Der Kennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht allerdings von der einer idealen Photodiode ab. Um diese Abweichungen zu modellieren, existieren mehrere Ersatzschaltbilder.
Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunächst nur aus einer Stromquelle, die parallel zu einer idealen Diode geschaltet wird. Diese produziert einen Strom, der von der Bestrahlungsstärke abhängt und den Photostrom Iph modelliert. Die Gesamtstromstärke ergibt sich damit mit dem Diodenstrom ID (siehe Diode) zu

I = I_\mathrm{ph} – I_\mathrm{D} = I_\mathrm{ph} – I_\mathrm{S} \left[ \mathrm{e}^{ \frac{U_\mathrm{D}}{n\cdot U_\mathrm{T}}} - 1 \right] .

Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- und Zweidiodenmodell)
Eindiodenmodell einer Solarzelle

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Rücksicht auf reale Faktoren des Bauelementes, die durch die Fertigung entstehen. Mit diesen Modellen soll ein möglichst realistisches Modell der tatsächlichen Solarzelle geschaffen werden. Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfachte Ersatzschaltbild zunächst nur durch einen parallel und einen in Reihe geschalteten Widerstand ergänzt.

* Der Parallelwiderstand Rp symbolisiert Kristallfehler, nichtideale Dotierungsverteilungen und andere Materialdefekte, durch die Verlustströme entstehen, die den p-n-Übergang überbrücken. Bei Solarzellen aus guter Herstellung ist dieser Widerstand relativ groß.
* Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effekte zusammengefasst, durch die ein höherer Gesamtwiderstand des Bauelemteentes entsteht. Das sind hauptsächlich der Widerstand des Halbleitermaterials, der Widerstand an den Kontakten und der Zuleitungen. Diese Größe sollte bei gefertigten Solarzellen möglichst gering sein.

Energetische Amortisation und Erntefaktoren

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt, zu dem die für die Herstellung einer Photovoltaikanlage aufgewandte Primärenergie durch selbige wieder erzeugt wurde. Da die bei der Produktion genutzte elektrische Energie zu den Sekundärenergien zählt, wird diese mit dem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Primärenergie umgerechnet. Dementsprechend erfolgt diese Umrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energie der Solarzelle. Analog kann man sich vorstellen, dass die Photovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellen Kraftwerk ersetzt [39].

Am besten schneiden Dünnschichtmodule ab, die sich als Richtwert nach etwa 2–3 Jahren amortisieren. Anlagen mit polykristallinen Zellen benötigen zur energetischen Amortisation etwa 3–6 Jahre und solche mit monokristallinen Zellen etwa 5–7 Jahre [40]. Diese Werte hängen natürlich von der tatsächlichen Energieausbeute (d.h. von der Sonneneinstrahlung) und den verwendeten Vergleichskraftwerken ab. Auch ist zu beachten, ob Solarzellen, Module oder ganze Systeme (inklusive Wechselrichter und Anschlussinfrastruktur) betrachtet werden. Ältere Untersuchungen zeigen bei Si-Solarzellen teilweise höhere Werte, was mit der Nutzung von Restsilizium aus der Chipindustrie zusammenhängt. Mit dem Beginn der großtechnischen Solarzellenherstellung konnten hier energieintensive Prozessschritte entfallen. Da der Energieverbrauch einen großen Kostenfaktor bei der Herstellung einer Solarzelle darstellt, wird mit einer weiteren deutlichen Reduzierung der Amortisierungszeiten auch bei Si-Solarzellen gerechnet [41].

Heutige kommerzielle Solarzellen erzeugen auch in Deutschland ein Vielfaches der Energie, die für die Herstellung notwendig war. Eine negative Energiebilanz wird bei normaler Verwendung demzufolge nicht beobachtet, weshalb stets ein Erntefaktor größer eins folgt.

Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein chemischer Prozess, bei dem gasförmige, flüssige und feste Chemikalien zum Einsatz kommen, die gesundheits- und umweltschädlich sind. Aus diesem Grund ist ein hoher Standard der Prozesssicherheit zentral. Unter Arbeitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und Reinigung zu gewährleisten. Bei dem Einsatz von Nasswäschern wird die Abluft durch ein flüssiges Absorptionsmedium geleitet. Wenn dieses aufgebraucht ist, entsteht eine weitere Abwasserquelle, neben den Ätzlösungen aus der Produktion. Diese müssen innerbetrieblich wiederaufbereitet oder einem externen Entsorger übergeben werden. Bei der Herstellung von Dünnschichthalbleitern kommt es an den Wänden und Aufbauten der Prozesskammer zu siliziumhaltigen Ablagerungen. Zur Reinigung werden Schwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid verwendet. Beide Gase haben ein hohes Global Warming Potenzial, zudem weisen Fluorverbindungen ein hohes Ozon Abbaupotenzial auf.[42] Dazu kommt, dass bei einigen Zelltypen Stoffe wie z. B. toxisches oder karzinogenes Cadmium, Arsen bzw. deren Verbindungen sowie Kupfergalliumdiselenid verwendet werden. Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthält zum Beispiel ca. 22 g des gefährlichen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro m2 Zellfläche.[43] Bei der Produktion werden beide Substanzen durch Co-Verdampfung auf das Trägermaterial aufgebracht. Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteter Prozess, bei dem die gesamte Innenoberfläche der Beschichtungskammer mit Dünnschichten aus Tellur, Cadmiumtellurid, Cadmiumsulfid und Antimontellurid überzogen werden. Der Materialverbrauch erhöht sich dadurch um mindestens weitere 40 %. Bei der regelmäßigen Reinigung der Produktionskammer mit wässriger Säure – die Reinigung erfolgt manuell – werden die Rückstände in eine wässrige Lösung überführt. Neben der eigentlichen Zellproduktion stellt also auch die Reinigung der Produktionsanlagen eine Herausforderung an Umweltschutz und Arbeitsschutz dar.[44][45][46][47][48] Eine neuere Untersuchung versucht, die geringere Gefährdung, die von Cadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbrennung ausgeht, nachzuweisen.[22] Produktionsrückstände und Emissionen können zu Langzeitschäden und Altlasten führen. Gleiches gilt bei unsachgemäßer Entsorgung für die Altzellen. Die Photovoltaik unterscheidet sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zur Nutzung regenerativer Energien.

Kristallographie

Die Kristallographie (oder auch -grafie) ist die Wissenschaft von den Kristallen, ihrer Struktur, Entstehung oder Herstellung und ihrer Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten.
Inhaltsverzeichnis

Untersuchungsgegenstand

Die Kristallographie ist eine Materialwissenschaft, die physikalische und chemische Parameter von Kristallen bestimmt und die in ihnen auftretenden physikochemischen Prozesse untersucht. Die untersuchten Kristalle können natürlichen (Minerale) oder synthetischen (zum Beispiel Keramiken, Metalle) Ursprungs sein. Es kann sich dabei nicht nur um anorganische, sondern auch um organische Stoffe (zum Beispiel Proteine) handeln. Obwohl die meisten heute bekannten Kristalle zur letztgenannten Gruppe gehören, ist die Kristallographie ein Teilgebiet der Mineralogie, aus der sie historisch gesehen entstanden ist.

Untersuchungsmethoden

Ein Zweikreisgoniometer (um 1925) zur Messung der Kristallwinkel. Die Ablesegenauigkeit auf den Teilkreisen ist besser als eine Bogenminute

Die ersten Untersuchungen an Kristallen betrafen ihre äußere Form. So entdeckte Nicolaus Steno 1669 das Gesetz der Winkelkonstanz, demzufolge die Winkel zwischen kristallographisch gleichen Flächen (zum Beispiel die Würfelflächen im kubischen Kristallsystem) desselben Minerals stets gleich groß sind. Für derartige Untersuchungen benutzt man Methoden der geometrischen Optik wie die Reflexionsgoniometrie, bei welcher der Reflexionswinkel des Lichtes zur Bestimmung der Lage einer Kristallfläche im Raum genutzt wird. Eine Standardmethode zur Bestimmung der optischen Eigenschaften von Kristallen (Lichtbrechung, Doppelbrechung, Pleochroismus, Bireflektanz, Anisotropieeffekte) ist die Polarisationsmikroskopie, die sich die Erkenntnisse der Wellenoptik zunutze macht. Mathematische Methoden der Gruppentheorie ermöglichten René-Just Haüy 1801 die Entdeckung des Symmetriegesetzes der Kristallographie und Arthur Moritz Schönflies und Jewgraf Stepanowitsch Fjodorow 1890/91 die Ableitung der 230 kristallographischen Raumgruppen. Letztgenannter entwickelte zudem den Universaldrehtisch, auch als Fjodorow-Tisch bezeichnet, der einen Zusatz zum Polarisationsmikroskop darstellt und durch freie Rotation der Probe in allen Richtungen die Bestimmung der Orientierung der in ihr enthaltenen Kristalle ermöglicht. Der Beweis, dass Kristalle dreidimensional periodisch aufgebaut sind, gelang Max von Laue mit Hilfe der Röntgenbeugung 1912. Diese Methode ermöglichte in den folgenden Jahrzehnten die Aufklärung der Kristallstruktur der Desoxyribonukleinsäure durch James Watson und Francis Crick (1953) und der des Insulins durch Dorothy Crowfoot Hodgkin (1969) sowie die Entdeckung von fünfzähligen Symmetrieachsen (Quasikristall) in einer schnell abgekühlten Aluminium-Mangan Legierung durch Dan Shechtman und Mitarbeitern (1984). Heute ist die Röntgenbeugung die Standardmethode zur Bestimmung von Kristallstrukturen, obwohl es inzwischen auch andere Methoden wie zum Beispiel die Neutronenbeugung gibt. Während Beugungsmethoden Informationen über den Aufbau des Kristalls als Ganzem liefern, ermöglicht es die Spektroskopie, die nähere Umgebung einzelner Atome zu erforschen. Mit Methoden wie der IR-Spektroskopie, der Raman-Spektroskopie, der Elektronenspinresonanz und der Kernspinresonanz können die Koordinationszahl einzelner Atome bestimmt und der Einbau von Fremdatomen nachgewiesen werden.

Minerale

Minerale sind natürlich vorkommende Festkörper mit einer definierten chemischen Zusammensetzung und einer bestimmten physikalischen Kristallstruktur. Aus historischen Gründen wird auch das flüssige Quecksilber von der International Mineralogical Association (IMA) als Mineral anerkannt. Amorphe Substanzen, welche die übrigen Kriterien erfüllen, bezeichnet man als Mineraloide. Die Mehrzahl der heute bekannten rund 4600 Minerale (Stand: 2008) sind anorganisch, doch auch einige organische Substanzen wie die Nierensteinbildner Whewellit und Wedellit sind als Minerale anerkannt, weil sie sich auch natürlich bilden.

Die Lehre von den Mineralen ist die Mineralogie, sie zu bearbeiten die Lithurgik.

Vorkommen

Mit Ausnahme der natürlichen Gläser sind alle Gesteine der Erde und anderer Himmelskörper aus Mineralen aufgebaut. Am häufigsten kommen etwa dreißig Minerale vor, die so genannten Gesteinsbildner. Daneben findet man Minerale auch als Kolloide im Wasser oder als Feinstaub in der Luft. Auch Wasser selbst ist ein Mineral, wenn es in Form von Wassereis vorliegt.

Mineralbildung

Minerale bilden sich durch Kristallisation aus Schmelzen (magmatische Mineralbildung), wässrigen Lösungen (hydrothermale und sedimentäre Mineralbildung) und aus der Luft (Sublimation von Gasen, zum Beispiel an Vulkanen) oder während der Metamorphose durch Festkörperreaktionen aus anderen Mineralen oder natürlichen Gläsern. Primärminerale entstehen zeitgleich mit dem Gestein, dessen Teil sie sind, während sich Sekundärminerale durch eine spätere Veränderung des Gesteins (Metamorphose, hydrothermale Überprägung oder Verwitterung) bilden. Man unterscheidet zwei Phasen der Mineralbildung: Zunächst lagern sich mehrere Atome oder Ionen zusammen und bilden einen Kristallisationskeim (Keimbildung). Wenn dieser einen kritischen Keimradius überschreitet, wächst er weiter und es entsteht ein Mineral (Kristallwachstum). Nach zahlreichen Umwandlungsreaktionen mit anderen Mineralen, mit der Luft oder mit dem Wasser kommt es schließlich zur Zerstörung der Minerale durch die Verwitterung. Die Ionen, aus denen das Kristallgitter aufgebaut war, gehen wieder in Lösung oder gelangen bei der Anatexis in eine Gesteinsschmelze (Magma). Schließlich beginnt der Zyklus an einem anderen Ort von vorn.

Zur Bestimmung des Abkühlalters siehe Spaltspuren.

Eine besondere Form der Mineralbildung aus der Lösung ist die Biomineralisation. Darunter versteht man die Bildung von Mineralen durch Organismen. Folgende Minerale können auf diesem Wege entstehen:

* Calcit, Vaterit und Aragonit bilden die Schalen von Schnecken, Muscheln, Foraminiferen und Coccolithophoriden.
* Hydroxylapatit baut die Knochen aller Wirbeltiere und zusammen mit Fluorapatit den Zahnschmelz von Säugetieren auf.
* Magnetit dient einer Reihe von Lebewesen als Kompass zur Orientierung im Erdmagnetfeld. Dies hat man zunächst bei magnetotaktischen Bakterien festgestellt und ist heute auch von Insekten, Weichtieren, Fischen, Vögeln und Säugetieren bekannt.

Weitere Formen der Mineralbildung aus der Lösung beziehungsweise durch die Reaktion von Mineralen mit Wasser spielen in der Technischen Mineralogie eine Rolle:

Calcit dient der Neutralisation von Säuren einschließlich Kohlensäure unter Bildung von Wasserhärte, Pyrit wirkt als Reduktionsmittel bei der bakteriellen Elimination von Nitrat durch Denitrifikation, während Tonminerale Neutralisationsreaktionen bei niedrigen pH-Werten und Ionenaustauschreaktionen bewirken können. Bei der Trinkwasseraufbereitung entstehen als Reaktionsprodukte bei der Elimination von Eisen(II)- und Manganionen Goethit und d-MnO2, Calcit kann bei Enthärtungsreaktionen (Entkarbonisierung) gebildet werden. Bei der Abwasserbehandlung können bei ausreichend hohen Phosphatkonzentrationen in den Abwasserbehandlungsanlagen wasserklare Kristalle von Struvit, einem Ammonium-Magnesiumphosphat, entstehen. Diese können den Querschnitt von Leitungen verengen. Bei der Korrosion von Stahl und Gusseisen im Kontakt mit Wasser können je nach Wasserbeschaffenheit Goethit, Magnetit und Lepidokrokit, bei höherer Karbonathärte auch Siderit, in phosphathaltigen Wässern Vivianit, in sulfathaltigen Wässern Troilit und in schwefelwasserstoffhaltigen Wässern Greigit gebildet werden. Aus Kupfer kann sich Cuprit, Malachit oder Azurit bilden, während aus Blei hauptsächlich Hydrocerussit entsteht.

Kristallographie

Frei kristallisierte Minerale zeigen äußerlich eine feste geometrische Form mit wohldefinierten natürlichen Flächen, die in festen Winkeln zueinander stehen. Dies wird auch als Gesetz der Winkelkonstanz (Nicolaus Steno, 1638–1686) bezeichnet. Die symmetrische Anordnung der Flächen ist Ausdruck der inneren Struktur eines kristallinen Minerals: Es zeigt eine wohlgeordnete Atomstruktur, die durch vielfach wiederholte Aneinanderreihung so genannter Elementarzellen entsteht, die die kleinste Struktureinheit des Minerals ausmachen. Man unterscheidet aufgrund der inneren Symmetrie sechs bis sieben Kristallsysteme, nämlich das kubische, das hexagonale, das trigonale, das tetragonale, das orthorhombische, das monokline und das trikline System. Das hexagonale und das trigonale System werden von manchen Mineralogen gelegentlich zusammengefasst. Zwei oder mehr Mineralindividuen, die in einer bestimmten kristallographischen Orientierung miteinander verwachsen sind, bezeichnet man als Zwillinge. Sie entstehen beim Wachstum oder bei der Deformation des Gesteins. Vielfachzwillinge bilden oft so genannte Zwillingslamellen, die nicht mit den Entmischungslamellen verwechselt werden dürfen, die entstehen, wenn ein Mischkristall bei der Abkühlung thermodynamisch instabil wird und sich Präzipitate bilden.

Eigenschaften

Optische Eigenschaften

– Bestimmung mit bloßem Auge:

* Farbe: Man unterscheidet idiochromatische Minerale (zum Beispiel Cinnabarit), die durch die formelwirksamen Elemente gefärbt sind, und allochromatische Minerale (zum Beispiel Quarz), deren oft verschiedene Farben aus verschiedenen Spurenelementen und Defekten des Kristallgitters resultieren. In der Erzmikroskopie sieht man stets die Komplementärfarbe der wirklichen Farbe, da im Auflicht gearbeitet wird. Die Farbe in Mineralen resultiert aus der Absorption von Licht der Komplementärfarbe durch einen oder mehrere der folgenden Prozesse
o Übergänge von Elektronen zwischen den durch das Kristallfeld aufgespaltenen d- oder f-Orbitalen der Übergangsmetalle oder Lanthanoide (z. B. die Rotfärbung des Rubins durch Chromionen auf der Aluminiumposition)
o Übergänge von Elektronen zwischen zwei Kationen oder zwischen Kation und Anion (z. B. die Blaufärbung des Saphirs durch Übergänge zwischen Titan- und Eisenverunreinungen)
o Übergänge von Elektronen vom Valenz- in das Leitungsband von Halbleitern (z. B. die Rotfärbung des Cinnabarits)
o Übergänge von Elektronen vom Valenzband in das Akzeptorniveau einer Verunreinigung (z. B. Blaufärbung von Diamant aufgrund von Bor)
o Übergänge von Elektronen vom Donatorniveau einer Verunreinigung in das Leitungsband (z. B. Gelbfärbung von Diamant aufgrund von Stickstoff
o Übergänge von Elektronen zwischen s- und d-Bändern in Leitern (z. B. Farbe des Goldes)
o Änderung des Energiezustandes eines Elektrons auf einer Anionenvakanz
o Beugungseffekte an niederdimensionalen Strukturen (z. B. Opal)
* Strichfarbe: Sie ist die Farbe des pulverförmigen Minerals, die sich oft von der Färbung seiner Oberfläche unterscheidet. Bei Silikaten ist der Strich heller als die Eigenfarbe, bei Sulfiden ist er dunkler. Der Strich wird üblicherweise an einem unglasierten Keramikplättchen geprüft.
* Glanz: Man unterscheidet zwischen Mattglanz (zum Beispiel Tennantit), Glasglanz (zum Beispiel Quarz), Diamantglanz (zum Beispiel Diamant) und Metallglanz (zum Beispiel Galenit.
* Transparenz: Man unterscheidet durchsichtige (zum Beispiel Calcit), durchscheinende (zum Beispiel Hämatit) und opake Minerale (zum Beispiel Kassiterit. In der Regel sind Gesteinsbildner durchsichtig oder durchscheinend und Erze opak. Daher werden erstere im Durchlicht und letztere im Auflicht untersucht.
* Kristallform: Die Kristallform setzt sich aus der Tracht und dem Habitus zusammen. Erstere bezeichnet die dominierende kristallographische Form, letzterer Verhältnis der Längen des Kristalls.

– Bestimmung mit der Polarisationsmikroskopie in Durchlicht:

* Pleochroismus: Bei einigen durchsichtigen Mineralen sind die Farben und Farbtiefen in verschiedenen Richtungen unterschiedlich. Erscheinen zwei Farben nennt man dies Dichroismus, bei drei Farben Trichroismus beziehungsweise Pleochroismus. Die Bezeichnung wird auch als Sammelbezeichnung für beide Arten der Mehrfarbigkeit verwendet.
* Brechzahl: Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in Luft zur Lichtgeschwindigkeit im Mineral und wird durch Immersionmethoden, näherungsweise auch durch die Stärke des Reliefs und die Bewegung der Becke’schen Linie, einer hellen Linie an einer Korngrenze, beim Bewegen des Mikroskoptisches bestimmt. Dabei gilt der Merksatz: Hinunter (mit dem Tisch), höher (Mineral mit der höheren Lichtbrechung als das Nachbarmineral), hinein (Bewegung der Becke’schen Linie).
* Doppelbrechung: Differenz der Brechungsindizes in den verschiedenen Richtungen des Kristalls. Sie wird unter gekreuzten Polarisatoren mit Hilfe von Farbtafeln aus der Interferenzfarbe bestimmt.

– Bestimmung mit der Polarisationsmikroskopie im Auflicht (Erzmikroskopie):

* Reflexionsgrad: Anteil des zurückgeworfenen Lichtes. Bestimmung mittels Erzmikroskopie. Charakteristisch für die Unterscheidung von Gold von Sulfidmineralen.
* Bireflektanz: Richtungsabhängigkeit der Farbe in der Erzmikroskopie, die unter einem Polarisator erkennbar ist.
* Anisotropieeffekte: Unter gekreuzten Polarisatoren in der Erzmikroskopie beobachtbare Farberscheinungen in opaken Mineralen.
* Innenreflexe: Diffuse Reflexion des Lichtes an Grenzflächen zu Verunreinigungen, die der Strichfarbe entspricht und unter gekreuzten Polarisatoren in Dunkelstellung am besten sichtbar ist.

– Bestimmung mit speziellen Mikroskopen:

* Lumineszenz: Einige Minerale emittieren Licht, wenn Sie eine wie auch immer geartete Anregung erfahren. Nach Art der Anregung unterscheidet man Chemolumineszenz, Tribolumineszenz, Kathodolumineszenz und Thermolumineszenz, nach Art des ausgesandten Lichtes UV-, VIS- und IR-Lumineszenz. Kurze Lumineszenz heißt Fluoreszenz, länger anhaltende Phosphoreszenz.

Mechanische Eigenschaften

* Dichte: Sie hängt von der chemischen Zusammensetzung und Struktur ab. Minerale mit einer Dichte von > 3,0 heißen Schwerminerale. Die Dichtetrennung ist eine wichtige Aufbereitungsmethode. Wird die Dichte auf die Dichte von Wasser bezogen, so wird sie relative Dichte genannt und ist dann einheitenlos.
* Härte: Sie wird durch die Stabilität der chemischen Bindungen im Mineral bestimmt und durch ihre Ritzbeständigkeit ermittelt. Angegeben wird sie in der Mineralogie durch ihren Wert auf der Mohs-Skala, die von eins (sehr weich, Beispiel Talk) bis zehn (sehr hart, Beispiel Diamant) reicht.
* Spaltbarkeit: Tendenz eines Minerals, entlang bestimmter kristallographischer Ebenen zu spalten. Man unterscheidet nicht vorhandene Spaltbarkeit (zum Beispiel Quarz), undeutliche Spaltbarkeit (zum Beispiel Beryll), deutliche Spaltbarkeit (zum Beispiel Apatit), gute Spaltbarkeit (zum Beispiel Diopsid), vollkommene Spaltbarkeit (zum Beispiel Sphalerit) und äußerst vollkommene Spaltbarkeit (zum Beispiel Glimmer). Sie beschreibt Kristallebenen, zwischen denen nur schwache Kräfte bestehen und an denen daher der Kristall gespalten werden kann. Beispielsweise hat Calcit drei Spaltebenen und ist so sehr vollkommen spaltbar. Quarz besitzt dagegen gar keine Spaltebene.
* Bruchverhalten: Bricht ein Mineral nicht entlang seiner Spaltebenen, treten oft charakteristische Bruchstrukturen auf. Man unterscheidet muscheligen Bruch (zum Beispiel Quarz), faserigen Bruch (zum Beispiel Kyanit), splittrigen Bruch (zum Beispiel Chrysotil), ebenen Bruch und unebenen Bruch.
* Zähigkeit oder Tenazität: Man unterscheidet spröde Minerale (zum Beispiel Quarz) von biegsamen (zum Beispiel Muskovit).

Magnetische Eigenschaften

* Magnetismus: Man unterscheidet ferromagnetische Minerale (zum Beispiel Eisen), ferrimagnetische Minerale (zum Beispiel Magnetit), paramagnetische Minerale (zum Beispiel Biotit), diamagnetische Minerale (zum Beispiel Quarz) und antiferromagnetische Minerale (zum Beispiel Hämatit). Üblicherweise werden nur Ferro- und Ferrimagnetismus mit Hilfe einer Kompassnadel bestimmt.

Elektrische Eigenschaften

* Leitfähigkeit: Die meisten Minerale sind Nichtleiter, einige Sulfide und Oxide sind Halbleiter, gediegene Metalle sind Leiter. Covellin ist mit einer Sprungtemperatur von 1,63 Kelvin der einzige bekannte natürlich vorkommende mineralische Supraleiter.[2]
* Piezoelektrizität: Fähigkeit zum Beispiel des Quarzes, eine mechanische Schwingung in eine Wechselspannung umzuwandeln und umgekehrt.
* Pyroelektrizität: Fähigkeit zum Beispiel des Turmalins, eine Temperaturdifferenz in eine Ladungstrennung umzuwandeln.

Chemische Eigenschaften

* Flammenfärbung: Einige Elemente verfärben eine Flamme. Diese Eigenschaft wird in der Flammenprobe verwendet, um auf die chemische Zusammensetzung eines Minerals zu schließen. Gasbrenner sind in abgedunkelten Räumen dazu am Besten geeignet.
* Schmelzbarkeit: Sie beschreibt das Verhalten vor dem Lötrohr, also die Schmelzreaktion.
* Reaktion mit Salzsäure: Karbonate reagieren unterschiedlich stark mit heißer, teilweise auch mit kalter Salzsäure. Diese Eigenschaft ist ein wichtiges diagnostisches Kriterium für diese Mineralgruppe.

Geruchseigenschaften

Schwefelhaltige Minerale lassen sich oft am Geruch erkennen, der beim Anschlagen entsteht.

Geschmackseigenschaften

Die Unterscheidung von Halit und Sylvin erfolgt traditionell dadurch, dass letzterer bitter schmeckt.

Sonstige Eigenschaften

* Radioaktivität: Dies ist die Eigenschaft, hochenergetische Strahlung ohne Energiezufuhr auszusenden. Man unterscheidet traditionell drei Arten von Strahlen: Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Die Strahlenmessung erfolgt mit einem so genannten Geigerzähler. Radioaktivität ist auch in niedrigen Dosen potentiell gesundheitsschädlich. Radioaktive Minerale sind zum Beispiel Uraninit, aber auch Apatit, der Uran als Spurenelement anstelle von Phosphor einbaut.

Bedeutung

Petrologische Bedeutung

Jedes Mineral ist nur unter bestimmten Druck-Temperatur-Bedingungen thermodynamisch stabil. Außerhalb seines Stabilitätsbereiches wandelt es sich mit der Zeit in die dort stabile Modifikation um. Einige Phasenumwandlungen erfolgen schlagartig beim Verlassen des Stabilitätsfeldes (zum Beispiel Hochquarz-Tiefquarz), andere sind kinetisch gehemmt und dauern millionen Jahre. Teilweise ist die Aktivierungsenergie sogar so hoch, dass die thermodynamisch instabile Modifikation als metastabile Phase erhalten bleibt (zum Beispiel Diamant-Graphit). Diese Hemmung der Reaktion führt zu einem „Einfrieren“ des thermodynamischen Gleichgewichts, das zu einem früheren Zeitpunkt herrschte. Daher liefert der Mineralbestand eines Gesteins Informationen über die Bildung und Entwicklungsgeschichte eines Gesteins und trägt damit zur Kenntnis des Ursprungs und der Entwicklung des Planeten Erde bei (siehe auch Präsolares Mineral).

Lagerstättenkundliche Bedeutung

Mineralische Rohstoffe werden in Energierohstoffe, Eigenschaftsrohstoffe und Elementrohstoffe unterteilt. Energierohstoffe sind zum Beispiel die Minerale Uraninit und Thorit als Kernbrennstoffe. Eigenschaftsrohstoffe werden ohne chemische Zerlegung in der Technik verwendet, darunter fallen zum Beispiel Quarz für die Glas- und Tonminerale für die keramische Industrie. Elementrohstoffe werden mit dem Ziel abgebaut, ein bestimmtes chemisches Element zu gewinnen. Handelt es sich dabei um ein Metall, so spricht man von einem Erz. Eine Anreicherung von Rohstoffen bezeichnet man als Lagerstätte, wenn sie wirtschaftlich abbaubar ist. Der Begriff ist somit ökonomisch, nicht wissenschaftlich geprägt: Ob eine gegebenes Vorkommen kommerziell ausgebeutet werden kann, hängt von den Abbau- und Aufbereitungskosten und dem Marktwert des enthaltenen Metalls ab – während der Eisenanteil von Mineralen bei bis zu 50 % liegen muss, um einen finanziellen Gewinn zu erzielen, reichte im Jahr 2003 bei dem wesentlich wertvolleren Platin bereits ein Anteil von 0,00001 % dazu aus. Neben der Gliederung nach der Verwendung des Rohstoffs ist auch eine Klassifizierung nach der Entstehung üblich. Sedimentäre Lagerstätten, wie zum Beispiel die so genannten gebänderten Eisenerzformationen, bildeten sich durch Fällungsreaktionen bei Änderung von pH-Wert, Druck und Temperatur oder durch den Einfluss von Bakterien oder durch Verwitterungsprozesse und den Transport von Mineralen aus ihrem ursprünglichen Entstehungsgebiet und ihre Ablagerung als (Seifen), zum Beispiel von Seifengold, am Grund von Flüssen, Seen oder flachen Meeren. Hydrothermale Lagerstätten bilden sich, indem Oberflächen- oder Tiefenwässer bestimmte Elemente aus den umgebenden Gesteinen lösen und diese an anderer Stelle ablagern oder aus Restfluiden nach der Erstarrung eines Magmas. Magmatische Lagerstätten entstehen durch die Kristallisation eines Magmas. Ein Beispiel sind viele Platin- und Chromit-Lagerstätten. Metamorphe Lagerstätten entstehen erst durch die Umwandlung von Gesteinen, zum Beispiel Marmor-Lagerstätten.

Gemmologische Bedeutung

Diamanten im Brillantschliff

Einige Minerale finden als Schmuck Verwendung. Wenn sie transparent sind und ihre Härte größer als 7 ist, bezeichnet man sie als Edelsteine, andernfalls als Schmucksteine. 95 Prozent des weltweiten Umsatzes auf diesem Markt wird mit Diamanten erzielt, der Rest fast überwiegend mit Saphiren, Smaragden, Rubinen und Turmalinen. Um die durch Farbe und Glanz beeinflusste Schönheit eines Schmucksteins zur Geltung zu bringen, muss er geschliffen und poliert werden. Dazu existieren zahlreiche verschiedene Schliffformen: Durchsichtige oder durchscheinende Varietäten werden in der Regel mit Facettenschliffen versehen, bei denen meist in festen Winkelbeziehungen zueinanderstehende Flächen, die so genannten Facetten, die Lichtreflexion maximieren. Undurchsichtige Minerale erhalten hingegen glatte, einflächige Schliffe. Der Asterismuseffekt eines Sternsaphirs beispielsweise lässt sich nur durch den so genannten Cabochonschliff erzielen. Das Feuer eines im Brillantschliff geschliffenen Diamanten hängt in der Hauptsache von der Einhaltung bestimmter Winkelverhältnisse der einzelnen Facetten sowie von seinen Proportionen ab.