Bereits seit dem Beginn der Nutzung der Photovoltaik waren Solarzellen aus Silizium als Halbleitermaterial die am meisten genutzte Technologie. Zunächst in der Raumfahrt, ab den 1990er Jahren dann zunehmend auch in „terrestrischen“ Anwendungen auf der Erde. Lag der Schwerpunkt der Fertigung zwischen ca. 2000 und 2010 noch in Deutschland, hatten 2015 chinesische Hersteller bereits einen Großteil der deutschen Produzenten vom Markt gedrängt.
Als die Bürgerenergie Lüdenscheid vor 10 Jahren gegründet wurde, war gerade ein erster großer Wandel in der Solartechnologie im Gange. Über einen Zeitraum von ca. 20 Jahren war ein sehr einfacher Typus von Silizium-Solarzellen stetig immer weiter verbessert worden – eine Solarzelle mit einem ganzflächigen Rückseitenkontakt aus Aluminium (sogenannte Al-BSF Solarzelle). Dieser Kontakt sorgte durch Legierung mit dem Silizium für einen Dotiereffekt auf der Rückseite, der die Zellen bereits relativ effizient machen konnte. Die Zelle war sehr einfach, weil fast alle Herstellungsprozesse auf der gesamten Zellfläche umgesetzt wurden. Man benötigte keine aufwendige Strukturierung in verschiedene Bereiche.
Man kann Solarmodule dieser Generationen recht gut zeitlich einordnen, da sich hier vorrangig das gut sichtbare Format der Solarzellen veränderte. Erste Module hatten teilweise noch runde Solarzellen, später folgten Solarzellen im Format 10 × 10 cm, dann 12,5 × 12,5cm und schließlich 15,6 × 15,6cm. Die Verschaltung erfolgte zunächst über zwei, später über drei Lötstreifen.
Solche Zellen konnten knapp 20 % Wirkungsgrad erreichen, die Module ca. 18 %. Die Hersteller von Modulen waren zu dieser Zeit sehr vorsichtig mit der Einführung von Neuerungen. Solarmodule sind mit 20–30 Jahren Leistungsgarantie das Industrieprodukt mit der umfangreichsten Gewährleistung weltweit. Hier geht man ungern Risiken ein – damals nicht, heute nur wenig mehr.
Parallel zur Produktion der Al-BSF-Solarzellen wurden in den großen Forschungsinstituten schon seit vielen Jahren Solarzellen entwickelt, die ein deutlich höheres Potenzial versprachen. Solarzellen mit einer speziellen elektrisch wirksamen „Versiegelungsschicht“, die nur lokal (also strukturiert) für den metallischen Kontakt durchbrochen wurde. Diese Solarzellen waren deutlich effizienter und hielten dank moderner Laserverfahren für die Strukturierung zur Zeit der Gründung der BELeG Einzug in die Solarproduktion. Eine Laseranlage kann dabei in nur einer Sekunde die Versiegelungsschicht an ca. 20 000 winzig kleinen Positionen entfernen und so den elektrischen Kontakt herstellen. In den darauffolgenden Jahren sollten diese sogenannten PERC-Solarzellen bis zu 24,5 % Wirkungsgrad erreichen.
Wurden die Al-BSF-Solarzellen noch über fast 20 Jahre hergestellt und langsam verbessert, war der Fortschritt bei den PERC-Solarzellen durch die stark steigenden Herstellungskapazitäten ebenfalls rasant. Innerhalb von kürzester Zeit wurden die Wirkungsgrade nahe an das theoretische Maximum getrieben, oft unterstützt von deutschen Maschinenbauern, die die Prozess- und Anlagenkompetenzen besaßen. Es wurden nun wiederum neue Verbesserungsmöglichkeiten gesucht. Die Zellen selbst wurden hinsichtlich ihres Designs verbessert, um Kosten zu sparen. Es wurden mehr Verbinder zur Verschaltung verwendet, das sogenannte „multikristalline“ Silizium als Ausgangsmaterial verschwand innerhalb kürzester Zeit vollständig und wurde durch einkristallines Silizium ersetzt, das höhere Wirkungsgrade erlaubte. Das theoretische Wirkungsgradlimit der PERC-Solarzellen konnte damit aber nicht verschoben werden.
Wiederum wurden an Forschungsinstituten neue Solarzellenkonzepte entwickelt, die vollständig ohne einen direkten Kontakt zwischen Metall und Halbleiter auskommen (sogenannte Tunnelkontakte oder passivierende Kontakte). Diese Solarzellen begannen nach nur ca. 5–6 Jahren die PERC-Solarzellen Schritt für Schritt zu ersetzen. PERC-Solarzellen werden inzwischen nur noch in geringem Umfang hergestellt, aktuell dominiert die sogenannte TOPCon-Technologie. Hier werden nun Wirkungsgrade von in der Spitze über 27 % erreicht. Verbesserungen betreffen weiterhin die Herstellungssequenz und die Verschaltung, um Kosten und Material zu sparen. Die Solarzellen werden zunehmend dünner (nur noch ca. ein Zehntel Millimeter), die Siliziumscheiben werden größer (inzwischen 21 × 21 cm) und die Zellen werden vor der Verschaltung in Module halbiert, was den Strom kleiner, jedoch die Spannung höher macht (wiederum gut am fertigen Modul zu erkennen).
Die Produktionskapazitäten wuchsen stetig weiter und eine moderne Solarzellenlinie produziert heute ca. 6000–8000 Zellen pro Stunde. Große Hersteller in China haben Hunderte dieser Linien – es werden inzwischen jedes Jahr mehrere Milliarden Solarzellen aus Silizium hergestellt.
Durch die Skalen- und Lerneffekte in China sind Solarmodule in den vergangenen 10 Jahren in einem Ausmaß billiger geworden, das man sich damals kaum vorstellen konnte. Lagen die Modulkosten damals noch bei ca. 65 ct pro Watt Leistung, liegen sie heute teilweise bei unter 10 ct. Photovoltaik ist damit heute in den weltweit meisten Regionen die günstigste Form der Stromerzeugung, in einigen bereits selbst dann, wenn man Batteriespeicher mitbetrachtet. Der Zeitraum der energetischen Amortisation (d. h. die Dauer, bis die Anlage die zur Herstellung benötigte Energie selbst hergestellt hat) liegt inzwischen selbst in Deutschland bei deutlich unter einem Jahr.
Nachdem das theoretische Limit einer Solarzelle aus Silizium bei ca. 29 % liegt, sucht die Wissenschaft aktuell Möglichkeiten, die Technik noch weiterzuentwickeln. Die Verbindung verschiedener Halbleiter mit unterschiedlichen Eigenschaften eröffnet hier Möglichkeiten, die Effizienz weiter zu steigern. Im Labormaßstab werden mit sogenannten Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen bereits Wirkungsgrade von über 34 % erreicht.
Auch wenn es noch einige Zeit dauern dürfte, bis solche Zellen für den Endkunden erhältlich sind – die Reise geht weiter. In der Entwicklung von Solarzellen, und mit der BELeG!