Praktikumsversuch: Elektrische Charakterisierung von Silizium-Solarzellen

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1 Praktikumsversuch: Elektrische Charakterisierung von Silizium-Solarzellen 1) Einführung Das heutige Angebot an kommerziell erhältlichen Solarzellen wird durch das Halbleitermaterial Silizium bestimmt. Die jährlich produzierten Module mit einer elektrischen Gesamtleistung von gegenwärtig 100 MW bestehen aus: kristallinem Silizium (50 %), polykristallinem Silizium (30 %) und amorphem Silizium (20 %). Lediglich in dem kleinen Markt der Weltraumanwendung können sich hocheffiziente aber auch sehr teure Solarzellen aus GaAs behaupten. Der Markt ist jedoch in Bewegung geraten. Zahlreiche alternative Halbleiter (z.b. CdTe, CuInSe 2, CuInS 2 ) versprechen gegenüber der konventionellen Silizium-Technologie deutlich geringere Produktionskosten und stehen teilweise kurz von der Markeinführung. Das I. Physikalische Institut beschäftigt sich mit CuInSe 2 -Dünnschichten, einem Material dem von industrieller Seite großes Interesse entgegengebracht wird. Zur Zeit werden in Deutschland zwei Pilotproduktionen zur Herstellung von CuInSe 2 -Solarmodulen aufgebaut. Ziel des Praktikums ist es, zum einen die physikalischen Prozesse in einer Solarzelle zu verstehen und zum anderen die Meßtechniken kennenzulernen, die für die Entwicklung und Charakterisierung von Solarzellen eingesetzt werden. Für den Versuch stehen handelsübliche Solarzellen aus polykristallinem, monokristallinem, amorphem Silizium sowie eine moderne CIS Zelle zur Verfügung. 2) Schnellkurs Halbleiterphysik Die Eigenschaften von Halbleitern werden ganz entscheidend durch die Bandlücke (energy gap) bestimmt. Am absoluten Temperaturnullpunkt ist das untere Valenzband vollständig mit Ladungsträgern besetzt, während die Zustände im oberen Leitungsband unbesetzt sind. Der Energiebereich, der diese beiden Bänder trennt, enthält in einem idealen Halbleiter keine erlaubten Zustände und wird als Bandlücke oder verbotene Zone bezeichnet. In kristallinem Silizium beträgt die Bandlücke 1,1eV (T=300K). In amorphen Halbleitern gibt es aufgrund der fehlenden Gittersymmetrie keine feste Bandkante durch die der Energiebereich mit erlaubten Zuständen und der Bereich mit verschwindender Zustandsdichte getrennt wird. Vielmehr existieren auch innerhalb der verbotenen Zone erlaubte Energiezustände. Man kann für amorphe Halbleiter jedoch eine Beweglichkeitskante definieren, unterhalb der die Ladungen lokalisiert also unbeweglich sind. Oberhalb dieser Energie sind die Ladungen frei beweglich. Die so definierte Energielücke ist abhängig von den Herstellungsbedingungen und beträgt für amorphes Silizium etwa 1.7 ev. Für die technische Anwendung werden Halbleiter dotiert. Wird ein IV-wertiges Silizium Atom durch ein III-wertiges Atom (z.b. Bor) ersetzt, so erhält man eine p-dotierung. Das IIIwertige Element wirkt als Akzeptor und nimmt ein Elektron auf, wodurch ein Loch im Valenzband entsteht. Umgekehrt gibt ein V-wertige Element (z.b. Arsen) ein Elektron an das Leitungsband ab und wirkt als Donator, wodurch eine n-dotierung entsteht. Durch die Dotierung des Halbleiters wird die Elektronendichte n und Löcherdichte p im Halbleiter bestimmt. Für kristallines Silizium gilt der Zusammenhang 19 6 np = 2,1 10 cm (T=300K) (2.1). Typischerweise beträgt die p-dotierkonzentration des Absorbermaterials in Solarzellen aus kristallinem Silizium cm -3. Daraus folgt unter der Annahme, daß alle Akzeptoren ionisiert 1

2 sind, eine Löcherdichte von cm -3 und eine Elektronendichte von 2,1*10 3 cm -3. Die Konzentration von Elektronen und Löchern unterscheidet sich also um mehrere Größenordnungen. Für die Beschreibung der physikalischen Prozesse in der Solarzelle wird es sich als vorteilhaft erweisen, zwischen Majoritätsladungsträger (bzw. Überschußladungsträger) und Minoritätsladungsträger zu unterscheiden, da sich im untersuchten pn-übergang die Majoritätsladungen, also die Elektronen, im n-gebiet und die Löcher im p-gebiet sowie die Minoritätsladungsträger symmetrisch verhalten. 3) Physik der Solarzelle 3.1) Der pn-übergang Da eine Solarzelle aus einer p- und einer n-leitenden Halbleiterschicht aufgebaut ist, sollen zunächst die Grundlagen über den pn-übergang skizziert werden. Wenn ein p- und ein n-typ Halbleiter in Kontakt kommen, findet zunächst eine Diffusion der Majoritätsladungsträger statt. Elektronen aus dem n-bereich diffundieren in den p-bereich mit geringer Elektronendichte, umgekehrt bewegen sich die Löcher in den n-bereich. Durch die zurückbleibenden geladenen Atomrümpfe entsteht im n-bereich eine positive und im p- Bereich eine negative Raumladung. Daraus resultiert ein elektrisches Feld, das der weiteren Diffusion entgegenwirkt. Der Bereich, in dem das Feld vorliegt, wird als Raumladungszone bezeichnet. Nachdem sich ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen den beiden Halbleitertypen eingestellt hat (bzw. sich die Fermi-Niveaus angeglichen haben), ist der Nettostromfluß am pn-übergang gleich Null. Dieser Zustand läßt sich physikalisch durch die Gleichheit von Diffusions- und Driftstrom beschreiben. Der Diffusionsstrom j Diff wird durch die unterschiedliche Konzentration von Elektronen und Löchern auf beiden Seiten des pn- Kontakts hervorgerufen. Für die Elektronenstromdichte gilt: j Diff = ed dn n (3.1) dx e: Elementarladung, D: Diffusionskonstante. Abbildung 1: a) Bandverlauf in einer nicht beleuchteten Diode. Die Diffusionsspannung U ist gerade so hoch, daß sich der Diffusionsstrom der Majoritätsladungsträger und der Driftstrom der Minoritätsladungsträger aufhebt. E F ist die Fermienergie. b) Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode. 2

3 Das elektrische Feld E bzw. das Potential U, das durch die Ladungstrennung erzeugt wird, führt zu einen Driftstrom j Drift in die entgegengesetzte Richtung. An diesem Stromfluß sind im Gegensatz zum Diffusionsprozeß die Minoritätsladungen mit deutlich geringerer Dichte beteiligt. Für die Elektronenstromdichte gilt: jdrift = neµ E (3.2) µ: Beweglichkeit. Im thermodynamischen Gleichgewicht verschwindet der Stromfluß: j + j = 0. Diff Drift Mit dieser Bedingung ist die Berechnung der Potentialdifferenz (oder Diffusionsspannung) U möglich (Abb. 1a). Der Stromfluß I über diese Barriere bei einer angelegten externen Spannung U wird durch die grundlegende Diodenkennlinie beschrieben (Abb. 1b): eu I = I 0 exp 1 (3.3) nk B T k B : Boltzmannkonstante T: Temperatur [K] I 0 : Sättigungsstrom, abhängig von Materialparametern und der Temperatur. In Silizium-Dioden beträgt I 0 : A/cm 2. n: Idealitätsfaktor: n=1.. 2; Idealitätsfaktor beschreibt Ausdehnung der Raumladungszone. Wenn Ausdehnung vernachlässigbar klein ist, dann folgt: n=1. Anschaulich läßt sich die Strom-Spannungs-Kennlinie folgendermaßen verstehen: Bei Polung in Sperrichtung (U<0) liegt der n-bereich auf positivem Potential und die Diffusionsspannung U wird verstärkt. Dadurch wird der Strom durch die Majoritätsladungen abgeschwächt. Im Grenzfall sehr hoher Sperrspannungen wird der Strom der Majoritätsladungen vollständig unterdrückt und der Stromfluß wird alleine durch den Driftstrom der Minoritätsladungen bestimmt. Wenn man U in die Diodengleichung einsetzt, so erhält man eine anschauliche Bedeutung für I 0. Der Sättigungsstrom entspricht somit dem reinen Driftstrom der Minoritätsladungsträger. Bei Polung der Diode in Flußrichtung (U>0) wird die Diffusionsspannung abgebaut und ein exponentiell ansteigender Stromfluß der Majoritätsladungen setzt ein. Mit Gleichung 2.3 läßt sich die Kennlinie einer idealen Diode beschreiben. Im Gegensatz zu elektronischen Bauelementen (Dioden, Transistoren, Mikrochips) sind jedoch die Herstellungsprozesse für eine Solarzellen im Sinne einer kostengünstigen Produktion stark a) R s b) I I p h R s h 1/R s h 1/R s U Abbildung 2: a) Ersatzschaltbild einer realen Diode unter Berücksichtigung von ohmschen Verlusten. Bei Beleuchtung wird der lichtinduzierte Photostrom durch eine zusätzliche Stromquelle mit I=I ph beschrieben. b) Die Kennlinie der realen Diode ergibt sich aus der graphischen Addition der idealen Kennlinie (gestrichelt) und der Kennlinien des Serienund Parallel-Widerstandes (dünne Linien) 3

4 vereinfacht, so daß ohmsche Verluste nicht mehr vernachlässigt werden können. Die reale Diode/Solarzelle wird durch ein Ersatzschaltbild unter Berücksichtigung eines Parallel(Shunt)- und eines Reihen-Widerstandes beschrieben (Abb. 2a). Der Parallelwiderstand R sh beschreibt einen zusätzlichen Strom durch den pn-kontakt, aufgrund von Verunreinigungen oder Kristallfehler an der Grenzfläche zwischen dem p- und n-typ Halbleiter. Der Parallelwiderstand wird relevant wenn die Ströme durch den pn-kontakt gering sind, d.h. im Sperrbereich der Diode. Für die ideale Diode gilt R sh =, in guten Solarzellen ist R sh >1000 Ωcm 2. Der Serienwiderstand R s wird durch die Verluste im Halbleiter und am Halbleiter-Metall- Kontakt hervorgerufen. Dieser Widerstand wird relevant wenn der Spannungsabfall am pn- Kontakt gering ist, d.h. in Flußpolung. Im Idealfall beträgt R s =0, in guten Solarzellen ist R s <0,5 Ωcm -2. Die resultierende Kennlinie kann durch die graphische Addition der Kennlinien der idealen Diode und der beiden Widerstände (Abb. 2b) bestimmt werden. Rechnerisch ergibt sich: e( U IRs ) U IRs I = I nk BT + 0 exp 1 (3.4) Rsh Je mehr die ohmschen Verluste in der Diode an Bedeutung gewinnen, um so stärker geht die Kennlinie von dem exponentiellen in einen linearen Verlauf über. 3.2) Die Solarzelle Im unbeleuchteten Zustand werden die Minoritätsladungsträger nur durch die thermische Anregung von Elektronen aus dem Valenz- ins Leitungsband generiert. Wenn dagegen Licht auf die Diode bzw. die Solarzelle trifft, so werden durch die Absorption der Photonen zusätzliche Elektron-Loch-Paare erzeugt. Die Dichte der Majoritätsladungsträger wird dadurch nicht wesentlich vergrößert, jedoch nimmt die Minoritätsträgerdichte um Größenordnungen zu. Da in kristallinem Silizium die Raumladungszone, in der das elektrische Feld vorliegt, eine Ausdehnung der Größenordnung von 1µm hat, die Eindringtiefe von Licht jedoch etwa 100 mal größer ist, bewegen sich die generierten Ladungsträger zunächst im feldfreien Raum. Nachdem sie zur Raumladungszone diffundiert sind, findet die Ladungstrennung statt. Der Driftstrom der Minoritätsladungsträger steigt stark an während der Diffusionsstrom nahezu unverändert bleibt (Abb. 3a). Dies führt zu einer Aufladung der beiden Bereiche der Zelle. Der p-bereich lädt sich positiv und der n-bereich negativ auf, die erzeugte Spannung kann über Klemmen abgeführt werden. Die Strom-Spannungs-Charakteristik der Solarzelle folgt aus der Diodenkennlinie und entspricht der Summe aus dem Diodenstrom I in Flußrichtung und dem Photostrom I ph, der in Sperrichtung fließt und somit ein negatives Vorzeichen hat (Abb. 3b). Der Photostrom I ph beschreibt den Driftstrom der durch die optisch generierten Minoritätsladungen hervorgerufen wird eu I = I 0 exp 1 I ph (3.5). nk BT 4

5 Abbildung 3: a) pn-übergang unter Beleuchtung: Die photogenerierten Minoritätsladungsträger diffundieren zunächst zur Raumladungszone und werden dort durch das elektrische Feld getrennt. b) Strom-Spannungs-Charakteristik einer Solarzelle. Die Kennlinie ergibt sich aus der Summe von Diodenstrom I und Photostrom I ph (negatives Vorzeichen!). Bei Beleuchtung der Solarzelle wird in der Zelle ein Stromfluß der Minoritätsladungsträger in Sperrichtung (I<0) hervorgeruften, wodurch sich die Diode selbst in Flußrichtung polt (U>0), da sich Elektronen im n-gebiet und Löcher im p-gebiet ansammeln. Für die Energieproduktion ist somit nicht die gesamte Kennlinie interessant, sondern nur der Bereich im 4. Quadranten (U>0, I<0). Die anderen Bereiche sind nur dann von Bedeutung, wenn eine äußere Spannung angelegt wird. Die Solarzellen-Kennlinie wird in der Regel durch drei Größen charakterisiert (Abb. 4): I sc : Kurzschlußstrom (sc=short circuit) U oc : Leerlaufspannung (oc=open circuit) FF: Füllfaktor. Abbildung 4: Der für die Energieproduktion relevante Bereich der Kennlinie ist der 4. Quadrant. Die maximale Leistung kann der Zelle bei einer Spannung U MPP (MPP=Maximum Power Point) entnommen werden. Der Kurzschlußstrom ist der maximale Strom der aus einer kurzgeschlossenen Solarzelle entnommen werden kann. Aus der Diodengleichung und der Bedingung U=0 folgt: I = I (3.6). sc ph Der Kurzschlußstrom entspricht also dem Photostrom I ph, und steigt wie dieser linear mit der Lichtleistung an. Der maximale Kurzschlußstrom kann aus der Energie der Bandlücke errechnet werden. Je größer die Bandlücke ist, desto ungünstiger ist dies für den 5

6 Kurzschlußstrom, da nur Photonen mit Energien größer als die Bandlücke zum Photostrom in der Solarzelle beitragen können und somit nur ein geringerer Anteil des Sonnenspektrums genutzt werden kann. Für ein standardisiertes AM1,5-Sonnenspektrum (entspricht einer Sonneneinstrahlung unter 45 -Winkel bei unbedecktem Himmel) kann eine Solarzelle aus kristallinem Silizium eine maximale Kurzschlußstromdichte von 44 ma/cm 2 aufweisen. Dieser Maximalwert wird jedoch in der Realität nicht erreicht, da die generierten Ladungen nicht alle in der Raumladungszone getrennt werden, sondern zum Teil an Defekten im Material rekombinieren. Die Leerlaufspannung ist die Spannung, die sich an der Diode aufbaut, wenn kein Strom entnommen wird (I=0): kt I ph kt I ph U oc = + e I ln 1 ln für I ph >>I 0 (3.7). 0 e I 0 Die Leerlaufspannung steigt also logarithmisch mit dem Photostrom I ph und somit mit der Lichtleistung an. Anschaulich kann man sich die Leerlaufspannung folgendermaßen vorstellen: Die Ladungstrennung durch das Diffusionspotential erfolgt solange, bis die Spannung der getrennten Ladungen dieses Potential kompensiert. Dann ist die maximale Spannung erreicht. Das Diffusionspotential ist somit eine obere Grenze für die Leerlaufspannung. Da das Diffusionspotential durch die Energie der Bandlücke begrenzt ist, steigt die maximal mögliche Leerlaufspannung mit dem Bandabstand. Für die Anwendung ist weder der Fall U=0 noch der Fall I=0 interessant, da so der Zelle keine Leistung (P=U*I) entnommen werden kann. Bei einer optimal angesteuerten Zelle beträgt die entnommene Leistung: P = I max sc U oc FF (3.8). FF ist der sog. Füllfaktor, der gewöhnlicherweise zwischen 60 und 80% liegt. Die Energie der Bandlücke beeinflußt den Kurzschlußstrom und die Leerlaufspannung gegenläufig. Für die Anwendung in der Photovoltaik sind Halbleiter mit einen Bandabstand von 1.4 ev optimal. Mit diesen Halbleitern kann rein theoretisch bis zu 28 % des einfallenden Sonnenlichts in elektrischen Strom umgewandelt werden. Tatsächlich werden im Labormaßstab heute Silizium-Solarzellen mit Wirkungsgraden bis zu 24% realisiert. Solarzellen aus industrieller Fertigung erreichen Wirkungsgrade bis etwa 15 %. 6

7 4) Versuchsdurchführung In diesem Praktikumsversuch sollen 2 Solarzellen aus amorphem und polykristallinem Silizium sowie eine Silizium-Diode charakterisiert werden. 4.1) Messung der Dunkelkennlinien Zunächst sollen von der Diode sowie von den beiden Solarzellen Dunkelkennlinien (dh. Kennlinien ohne Beleuchtung) aufgenommen werden. Vorsicht: Um die Solarzelle/Diode nicht zu überlasten, darf die angelegte Sperrspannung -1 V und der Strom in Flußrichtung 50 ma nicht überschreiten. Bei der Wahl der Spannung ist zu beachten, daß das Solarmodul aus amorphem Silizium aus 5 in Reihe geschaltenen Zellen aufgebaut ist. Geeignete Meßbereiche sind: Diode: U= V Solarzelle aus polykristallinem Silizium: U= ,6 V Solarmodul aus amorphem Silizium: U= V 4.2) Messung der Hellkennlinien in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke Die Solarzellenkennlinien sollen nun für unterschiedliche Beleuchtungsstärken bestimmt werden. Nach der Messung mit voller Lampenstärke (100%) stehen Graufilter mit einer Transparenz von 10%, 1%, 0,1% und 0,01% zur Verfügung. Vorsicht: Die Solarzelle generiert einen Strom, der von der Meßelektronik aufgenommen werden muß. Um die Elektronik nicht zu überlasten muß darauf geachtet werden, daß die Solarzelle bei maximaler Beleuchtungsstärke nicht mehr als 50 ma Kurzschlußstrom liefert. Die Elektronik ist zwar gegen höhere Ströme abgesichert, kann diese jedoch nicht mehr richtig erfassen. 4.3) Messung der spektralen Empfindlichkeit Die spektrale Empfindlichkeit der Solarzelle beschreibt die Wahrscheinlichkeit, daß ein Photon mit einer bestimmten Energie/Wellenlänge zur Stromerzeugung beiträgt. Das Spektrum (d.h. Kurzschlußstrom über Lichtenergie) hat Ähnlichkeiten mit dem Absorptionsspektrum, da die Lichtabsorption Voraussetzung für die Stromproduktion ist. Aufbau: Das Licht einer Halogenlampe wird in einen Gitter-Monochromator eingekoppelt. Durch die Einstellung des Gitters (Drehknopf) wird die Wellenlänge festgelegt, die den Monochromator in erster Ordnung durchläuft. Mit der Wellenlänge λ wird jedoch in n-ter Ordnung auch die Wellenlänge λ/n unter dem gleichen Winkel reflektiert. Um zu verhindern, daß Licht höherer Ordnung auf die Solarzelle trifft, steht ein Bandkantenfilter zur Verfügung, der unterhalb von 650nm (Bandkante) nicht transparent ist. Die Wellenlänge des einfallenden Lichts soll für die Zelle aus kristallinem Silizium zwischen 1250 und 900nm und für die Zelle aus amorphem Silizium zwischen 1000 und 700nm in 20 nm-schritten variiert werden. Im Gegensatz zu einer professionellen Messungen der spektralen Empfindlichkeit (siehe Kapitel 9.2 in [Goetzberger]) wird hier der Einfachheit halber nicht der Kurzschlußstrom sondern die Leerlaufspannung mit einem Voltmeter bestimmt (Abb. 5). 7

8 Abbildung 5: Schematischer Aufbau zur Messung der spektralen Empfindlichkeit. 5) Versuchsauswertung: Die Auswertung und Darstellung der Meßdaten soll mit geeigneter Software durchgeführt werden (EXCEL, ORIGIN, o.ä.) 5.1) Auswertung der Dunkelkennlinien A) Die Diode zeigt eine ideale Kennlinie. Um dies nachzuprüfen sollen die Meßpunkte in einen U-log( I )-Plot aufgetragen und mit Gl. 3.3 gefittet werden. Wie groß ist der Idealitätsfaktor n und der Sättigungsstrom I 0? B) Die beiden Solarzellen zeigen sichtbar kein ideales Diodenverhalten. Um die Parameter der Zelle zu beschreiben, müßten die Kennlinien mit Gl. 3.4 gefittet werden. Die Berechnung dieser impliziten Funktion ist jedoch sehr aufwendig und wird eifrigen Praktikanten als Fleißarbeit überlassen. Für die Auswertung reicht eine qualitative Abschätzung mit Hilfe der graphischen Addition der Ströme (Abb. 2b) aus. Wie groß sind R sh und I 0 für beide Zellen? Lassen sich die Werte sinnvoll abschätzen? 5.2) Auswertung der Hellkennlinien A) Aus den Hell-Kennlinien (100 % Beleuchtung) lassen sich die wichtigen Parameter der Solarzelle bestimmen. Wie groß sind I sc, U oc? Um die beiden Zellen vergleichen zu können, muß der Kurzschlußstrom pro Fläche und die Leerlaufspannung pro Zelle angegeben werden. Wie wirkt sich die Bandlücke von kristallinem und amorphem Silizium auf die beiden Größen aus? B) Um den optimalen Arbeitspunkt (MPP) zu bestimmen ist die Leistung der Solarzelle in Abhängigkeit der Spannung (oder des Stromes) zu berechnen und in einem Graph darzustellen. Wie groß sind der Füllfaktor (FF) die Leistung, sowie Strom und Spannung im optimalen Arbeitspunkt? Der absolute Wirkungsgrad läßt sich mit der vorliegenden Apparatur nicht bestimmen, da die Leistung der Lichtquelle nicht kalibriert ist und das Lampenspektrum nicht dem der Sonne entspricht. Dennoch ist ein Vergleich der beiden Zellen möglich. Welche Zelle hat den höheren Wirkungsgrad? 5.3) Auswertung der Abhängigkeit von der Lichtintensität Die Abhängigkeit der Leerlaufspannung und des Kurzschlußstroms von der Lichtintensität soll mit der Theorie verglichen werden. Dazu sollen die Kenngrößen als Funktion der Lichtintensität geeignet dargestellt werden. Es empfiehlt sich eine einfach bzw. doppeltlogarithmische Darstellung. Stimmt das Verhalten mit der Theorie überein? 8

9 5.4) Auswertung der spektralen Empfindlichkeit Die spektrale Empfindlichkeit (bzw. die gemessene Leerlaufspannung) soll gegen die Lichtenergie aufgetragen werden. Wie läßt sich interpretieren, daß die Empfindlichkeit der Zelle für kleine Energien gleich null ist? Was verursacht den Abfall bei hohen Energien? VORBEREITUNG: ES IST EIN CA MINÜTIGER KURZVORTRAG ZUM THEMA ZU ERARBEITEN. DER THEORETISCHE TEIL DER AUSWERTUNG ENTFÄLLT, DIE ANGEFERTIGTEN FOLIEN / ZETTEL SIND ABZUGEBEN. Im Vortrag sollte mindestens enthalten sein: Funktionsweise von Solarzellen, physikalische Grundlagen der Solarzelle, Herstellung von Solarzellen. Die Auswertung ist in elektronischer Form abzugeben (pdf, ps, doc ) 7) Literatur: (findest sich alles in der Fachbereichs- Bibliothek) Halbleiterphysik: Ibach, Lüth: Festkörperphysik K. Kopitzki: Einführung in die Festkörperphysik Grundlagen des pn-kontakts: R.Müller: Grundlagen der Halbleiter-Elektronik 1 [Ete ] A. Goetzberger/ B.Voß/ J. Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik, [Tph85] außerdem lesenswert: Dieter Meisser: Solarzellen [Tph83] Würfel, Solarzellen 9