Wie funktionieren Solarzellen?

Solarzellen zählen zu den wichtigsten Elementen einer Photovoltaikanlage, denn über sie findet die tatsächliche Stromgewinnung statt. Aber wie wandelt eine Solarzelle Licht in Strom um? Wir erklären Ihnen den Aufbau einer Solarzelle und ihre Funktionsweise.

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?

Das Grundprinzip der Funktionsweise einer Solarzelle ist einfach erklärt: Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Wenn die Sonne auf eine Solarzelle scheint, entsteht Strom, weil die Photonen (Lichtteilchen) Elektronen in der Zelle bewegen. Die meisten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium, das aus Quarzsand hergestellt wird. Damit das Silizium das Sonnenlicht besser in Strom umwandeln kann, werden ihm kleine Mengen anderer Stoffe hinzugefügt, was auch „dotieren“ genannt wird. Dadurch lassen sich die elektronischen Eigenschaften des Halbleitermaterials gezielt verändern. Eine Solarzelle hat sowohl eine n-dotierte (negativ dotierte) als auch eine p-dotierte (positiv dotierte) Schicht:

• n-dotierte Schicht: Diese Schicht enthält Atome wie Phosphor, die in ihrer äußersten Schicht mehr Elektronen haben als das Silizium. Durch diese überschüssigen Elektronen ist die Schicht negativ geladen.
• p-dotierte Schicht: Diese Schicht hat einen Überschuss an positiv geladenen Teilchen. Sie enthält Atome wie Bor, die weniger Elektronen haben als das Silizium. Dadurch fehlen in dieser Schicht Elektronen und sie wird positiv geladen.

Wie wird aus Sonneneinstrahlung Solarstrom?

Die gezielte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom in der Solarzelle wird durch den p-n-Übergang ermöglicht. Er bildet die Grenze zwischen der p-notierten und der n-dotierten Schicht einer Solarzelle. Durch das Zusammenkommen dieser beiden Schichten entsteht ein internes elektrisches Feld. Wenn die Sonne auf die Solarzelle scheint und Photonen eindringen, werden Elektronen von ihren Atomen gelöst. Die Elektronen bewegen sich zur n-Schicht, während die durch ihre Abwanderung entstandenen „Elektronenlöcher“ zur p-Schicht wandern. Diese gerichtete Bewegung von Elektronen und Elektronenlöchern erzeugt elektrischen Strom.

Um diesen Strom effizient zu nutzen, werden an der Vorder- und Rückseite der Zelle metallische Kontaktschichten, meist aus Aluminium oder Silber, angebracht. Diese leiten die Elektronen ab und setzen sie über einen Leiter in Bewegung, wodurch der elektrische Strom fließt. Zusätzlich wird eine Antireflex-Schicht aus Siliziumnitrid oder Titandioxid aufgetragen, um die Solarzelle vor Umwelteinflüssen zu schützen und Lichtreflexionen zu reduzieren.

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Generell lassen sich drei Typen von Siliziumzellen für Photovoltaikanlagen unterscheiden:

• Monokristalline Solarzellen:

  Monokristalline Solarzellen werden aus einkristallinen Siliziumstäben hergestellt und dann in dünne Scheiben oder Wafer geschnitten. Trotz des aufwendigen und teuren Herstellungsprozesses erreichen sie wegen ihrer reinen Kristallstruktur einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 24 Prozent. Daher eignen sie sich besonders für kleine PV-Flächen, die einen hohen Ertrag erzielen sollen.

• Polykristalline Solarzellen:

  Polykristalline Solarzellen entstehen aus zuvor gegossenen und dann erstarrten Silizium-Blöcken. Beim Abkühlungsprozess bilden die Siliziumkristalle unterschiedliche Größen. Aus diesen Blöcken, Ingots genannt, werden dann Wafer geschnitten, die die Zellen ergeben. Wegen ihrer weniger geordneten Kristallstruktur liegt ihr Wirkungsgrad bei 15 bis 20 Prozent. Trotzdem sind polykristalline Solarzellen wegen ihres günstigeren Preises die meistverkauften Module und eignen sich für große Dachflächen.

• Dünnschichtsolarzellen:

  Anders als die kristallinen Solarzellen werden hier Halbleitermaterialien auf Träger aus Glas, Kunststoff oder Metall aufgedampft oder aufgesprüht. Diese mikrometer-dicke Schicht absorbiert das Sonnenlicht. Als Halbleiter dienen amorphes Silizium, Cadmium-Tellurid oder Kupferindiumdiselenid. Das amorphe Silizium hat eine ungeordnete Struktur und wird oft mit Wasserstoff kombiniert, um Materialdefekte zu reduzieren. Mit einem Wirkungsgrad von 10 bis 13 Prozent sind sie leicht, kosteneffizient in der Produktion und können aufgrund der unterschiedlichen Trägermaterialien flexibel eingesetzt werden. Bei Privathäusern werden Dünnschichtsolarzellen aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades eher selten genutzt. Denn bei einer begrenzten Dachfläche sind mono- oder polykristalline Solarzellen meist die bessere Wahl.

Wie viele Solarzellen ergeben ein Solarmodul?

Wie viele Solarzellen ein Solarmodul ergeben, unterscheidet sich je nach Hersteller. Früher wurden standardmäßig 60 Solarzellen je Modul verbaut und in zehn Reihen und sechs Spalten angeordnet. Jede Zelle hatte eine Größe von etwa 156 mm x 156 mm, woraus sich eine Modulgröße von etwa 1,64 m x 1,00 m ergab. Heutige Solarmodule haben in der Regel 120 oder 144 Solarzellen, die in 20 bzw. 24 Reihen über sechs Spalten angeordnet werden. Dass heute so viel mehr Solarzellen zu einem Solarmodul zusammengefasst werden können, liegt an der Verwendung sogenannter Halbzellenmodule. Um diese herzustellen, werden die Solarzellen nach der Produktion in zwei Hälften geschnitten, was den Widerstand und die Verluste im Solarmodul verringert.

Welchen Strom produzieren Solarzellen?

Solarzellen erzeugen keinen Wechselstrom (AC), den die meisten Verbrauchsstellen verwenden, sondern Gleichstrom (DC). Dabei bewegen sich die Elektronen von der positiven zur negativen Seite, ohne ihre Richtung zu ändern. Damit der erzeugte Gleichstrom im Haushalt genutzt und in das Stromnetz eingespeist werden kann, muss er in durch einen Wechselrichter zunächst in Wechselstrom umgewandelt werden. Wechselstrom unterscheidet sich von Gleichstrom dahingehend, dass er periodisch die Richtung ändert, also abwechselnd von der positiven zur negativen Seite und zurückläuft. Wechselstrom ist die Standardform des Stroms in den meisten elektrischen Netzen.

Was ist die Geschichte der Solarzelle?

Dass es möglich ist, Licht in elektrischen Strom umzuwandeln, geht auf eine Entdeckung des französischen Physikers Alexandre Edmond Becquerel aus dem Jahr 1839 zurück. Er stellte in einem Experiment fest, dass bei Lichteinfall mehr Strom erzeugt wird als im Dunkeln – später als photoelektrischer Effekt bekannt geworden. 1905 erklärte Albert Einstein diesen Vorgang, was ihm 1921 den Nobelpreis für Physik einbrachte.

Die ersten praktischen Schritte zur Nutzung von Solarenergie wurden allerdings erst später unternommen. 1954 stellten die Bell Laboratories, die Forschungsabteilung der Telefongesellschaft AT&T, die erste Silizium-Solarzelle vor. Sie erreichte lediglich einen Wirkungsgrad von sechs Prozent.

Es dauerte bis 1977, bis in Frankreich das erste Solarkraftwerk gebaut wurde. Deutschland nahm sein erstes Solarkraftwerk 1983 in Betrieb. Seit den 1990er Jahren verbreiten sich Photovoltaikanlagen auf Hausdächern immer mehr.

Was ist die Zukunft der Solarzellentechnik?

Die Solartechnik hat sich stetig weiterentwickelt und auch heute ist das Potenzial noch nicht ausgeschöpft. Monokristalline Solarzellen erreichen aktuell Wirkungsgrade von bis zu 24 Prozent. Eine vielversprechende Weiterentwicklung stellen sogenannte Tandem-Solarzellen dar, mit denen unter Laborbedingungen schon Wirkungsgrade von über 40 Prozent erreicht wurden. Dabei werden mehrere Arten von Solarzellen miteinander kombiniert. Sie bestehen aus mindestens zwei, oft auch mehreren übereinander geschichteten einfachen Solarzellen. Durch geschickte Platzierung und eine Kombination von Materialien mit unterschiedlichem Lichtabsorptionsverhalten lässt sich deutlich mehr Solarstrom gewinnen.

Warum ist Sonnenlicht so eine gute Energiequelle?

Sonnenlicht ist aus verschiedenen Gründen eine hervorragende Energiequelle. Zum einen erzeugt die Nutzung von Sonnenlicht keine schädlichen Emissionen oder Abfälle, weswegen es sich um eine umweltfreundliche Energiequelle handelt. Zudem ist Sonnenlicht nahezu unerschöpflich, da die Sonne Milliarden von Jahren lang Energie erzeugen wird. Im Vergleich zu begrenzten fossilen Brennstoffen ist Sonnenlicht daher eine nachhaltige und dauerhafte Energiequelle. Ein weiterer Vorteil ist die weltweite Verfügbarkeit von Sonnenlicht. Solarzellen bieten die Möglichkeit, die Sonnenenergie in elektrischen Strom umzuwandeln. Solaranlagen haben wiederum nur geringe Betriebskosten, da keine Brennstoffkosten anfallen und die Wartungskosten im Vergleich zu anderen Energiequellen niedrig sind. Dadurch hat Sonnenlicht als Energiequelle eine hohe Wirtschaftlichkeit.