Solarzelle: die Keimzelle der Solartechnik

Aufbau der Solarzelle

Eine Solarzelle setzt sich aus verschiedenen Halbleiter-Schichten zusammen. Diese bestehen in der Regel aus Silizium, das als Bestandteil von Sand in großen Mengen auf der Erde vorhanden ist. Für die photoelektrische Wirkung und die Funktion der Solarzelle spielen der Aufbau und die Beschaffenheit der Ebenen dabei eine besondere Rolle. Denn Strom fließt nur, wenn sich Elektronen frei bewegen können.

Verunreinigungen ermöglichen den Elektronenfluss

Um das zu gewährleisten, verunreinigen Hersteller die hochreinen Siliziumschichten mit Fremdatomen. Auf der einen Seite verwenden sie dazu häufig Phosphor. Das Element hat mit fünf Außenelektronen eines mehr als Silizium, wodurch ein Elektronenüberschuss entsteht (n-Dotierung). Auf der anderen Seite fügen Produzenten üblicherweise 3-wertige Bor-Atome hinzu. Diese haben ein Elektron weniger. Sie lassen Löcher offen und können freie Ladungsträger aufnehmen (p-Dotierung).

Wo beide Ebenen aufeinandertreffen, bildet sich die sogenannte Grenzschicht. Hier wandern die überschüssigen Elektronen der Silizium-Phosphor-Schicht in die Löcher der Silizium-Bor-Schicht, wo sie sich mit den Boratomen verbinden. Dabei kommt es zu einem Ladungsausgleich und es entsteht ein stabiles elektrisches Feld. Energie für diesen Elektronenfluss liefert die Sonne, die für Funktion der Solarzelle essenziell ist.

Antireflexschicht mindert Energieverluste

An der Oberseite ist die Solarzelle zudem mit einer Antireflexschicht bedeckt. Diese sorgt dafür, dass die empfindliche Technik der Zelle vor Einflüssen aus der Umwelt geschützt wird und davor, dass sich die Energieverluste durch die Reflexion des auftreffenden Lichtes minimieren lassen.  Bestandteile einer Solarzelle sind außerdem Kontakte auf beiden Seiten, über die sich der Gleichstrom abgreifen lässt.

So funktioniert die Solarzelle

Die Funktionsweise der Solarzelle basiert auf dem photoelektrischen Effekt, der Strahlungsenergie aus dem Sonnenlicht in Strom umwandeln kann. Dies geschieht durch das Halbleitermaterial, das durch den Einfluss von Licht oder Wärme seine Eigenschaften im Hinblick auf die Ladung verändert. Doch  wie funktioniert eine Solarzelle genau? Das erklären wir im Folgenden.  

Grenzschicht reagiert bei Lichteinfall

Der oben beschriebene Aufbau der Solarzellen ermöglicht die besondere Funktionsweise der Technik. Voraussetzung dafür sind im Licht enthaltenen Photonen, die Elektronen im Bereich der Grenzschicht dazu anregen, sich zu bewegen. Die Folge: 

• Elektronen lösen sich aus der Gitterstruktur und wandern zur positiv geladenen Schicht der Solarzelle.
• Positiv geladene "Löcher" wandern durch das Nachrücken der Elektronen gleichzeitig zur n-Schicht. 

Über die beim Aufbau der Solarzelle bereits erwähnten Kontaktschichten aus Aluminium oder Silber werden die Elektronen wieder zum positiven Bereich der Solarzelle geleitet. Ein Kabel, das obere und untere Kontaktschicht miteinander verbindet, schließt den Kreis und es fließt Strom. Und zwar mehr, je intensiver die Sonne auf die Solarzellen scheint.

Leistung sinkt bei steigender Temperatur

Je wärmer es ist, umso weniger bewegen sich Elektronen-Loch-Paare. Das heißt, dass die Leistung der Solarzellen abnimmt, je wärmer sie sind. Ein Grund, aus denen Installateure Indach-Solarmodule und  Solardachziegel  beispielsweise mit einer Luftwärmepumpe von innen kühlen.  

Zentrales Element der Photovoltaikanlage

Was ist eine Solarzelle mit Blick auf Photovoltaik (PV)? Einfach gesagt: Der kleinste Bestandteil, ohne den die Anlage keinen Strom produzieren könnte. In Reihe geschaltet, ergeben mehrere Solarzellen dabei ein PV-Modul, das von einem Rahmen zusammengehalten wird.

Darüber hinaus besteht eine PV-Anlage auch aus weiteren Bauteilen. Neben Unterkonstruktion, Verkabelung, Anschlusselektrik und PV-Optimierer gehört dazu auch ein Wechselrichter. Dieser wandelt den erzeugten Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom um. Für die Einspeisung des Solarstroms in das Stromnetz und den Netzbezug wird ein Zweirichtungszähler benötigt.  

Wissenswertes: Seit wann ist der photovoltaische Effekt bekannt?

Der für Solarzellen und Solarmodule wichtige Aufbau ist mittlerweile seit über 50 Jahren bekannt und wurde seitdem immer wieder weiterentwickelt. Doch bereits 1839 entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel den sogenannten photovoltaischen Effekt, dem der Aufbau einer Solarzelle zugrunde liegt. Er experimentierte mit Batterien (einen galvanischen Stoff enthaltend), indem er diese mit Licht bestrahlte. Ergebnis war eine Zunahme von elektrischer Spannung. Eine Erklärung dafür fehlte ihm jedoch. Erst knapp 70 Jahre später konnte Albert Einstein mit seiner Quantentheorie zum Licht den Photoeffekt vollständig erklären und damit beweisen. Das öffnete viele Tore für weitere Forschungen auf diesem Gebiet. Die Erfindung der heute gebräuchlichen Zellen aus Siliziumkristallen erfolgte dann 1954.

Arten von Solarzellen im Vergleich 

Für die Montage einer Photovoltaikanlage stehen Ihnen zahlreiche Hersteller zur Auswahl. Darüber hinaus müssen Sie sich aber auch für die richtigen Solarzellentypen entscheiden. Nach der Art der Zellen können Sie dabei zwischen monokristallinen, polykristallinen und amorphen Solarmodulen wählen. In Zukunft werden außerdem auch organische Solarzellen zur Verfügung stehen. Die folgende Tabelle zeigt die Wirkungsgrade und Einsatzbereiche der drei verbreitetsten Solarzellentypen im Vergleich. 

Während der Wirkungsgrad der Solarzellen im Vergleich angibt, wie effektiv diese auftreffende Strahlung in elektrische Energie umwandeln können, beschreibt der  Erntefaktor  das Verhältnis der Herstellungsenergie zur Energie, die die Zellen im Laufe ihres Lebens gewinnen. Dünnschichtzellen schneiden hier besonders gut ab, da ihre Herstellung vergleichsweise sparsam ist.

Monokristalline Solarzellen im Vergleich

Die monokristallinen Zellen lassen sich aus reinen Kristallen herstellen. Sie zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade aus und sind vergleichsweise teuer. Grund dafür ist die aufwendige Herstellung, bei der Anbieter zylinderförmige Einkristalle in kleine Scheiben zerschneiden. Die sogenannten Wafer werden anschließend gereinigt, weiterverarbeitet und zu Solarmodulen zusammengesetzt. Die nachfolgende Liste zeigt die wichtigsten Eigenschaften der Solarzellen im Vergleich:

• Wirkungsgrad der Solarzellen: 14 bis 20 Prozent
• Schwachlichtverhalten: Leistung fällt bei diffusem Licht
• Wärmeverhalten: Leistung fällt bei hohen Temperaturen
• Kosten: Preisintensiver als polykristalline oder amorphe Zelltypen
• Langzeiterfahrungen: sehr hohe Leistung über eine lange Lebenszeit

Polykristalline Solarzellen im Überblick

Die polykristallinen Zellen bestehen aus zusammengefügten Siliziumblöcken. Sie sind günstiger als monokristalline Bauformen, haben dafür aber auch einen geringeren Solarzellen-Wirkungsgrad. Durch das gute Preis-Leistungs-Verhältnis stellen sie den Standard der Solartechnik dar. Geht es um die Herstellung, schneiden Anbieter die Wafer hier aus zusammengeschmolzenen Siliziumblöcken. Dabei entsteht eine gut sichtbare Kristallstruktur, durch die sich die Module einfach erkennen lassen. Die wichtigsten Informationen für die Solarzellen im Vergleich liefert die nachfolgende Liste.

• Solarzellen-Wirkungsgrad: Zwölf bis 16 Prozent
• Schwachlichtverhalten: Leistung fällt bei diffusem Licht
• Wärmeverhalten: Leistung fällt bei hohen Temperaturen
• Kosten: zwischen monokristallinen und amorphen Zellen
• Langzeiterfahrungen: Leistung bleibt im Laufe der hohen Lebenszeit stabil

Eigenschaften von amorphen Zellen

Amorphe Module bestehen aus einer dünnen Siliziumschicht, die auf ein Trägerelement aufgedampft wird. Während die einfachere Herstellung zulasten des Wirkungsgrades geht, sind die sogenannten Dünnschichtmodule, zum Beispiel  Solarfolien, günstiger als Module mit anderen Solarzellen im Vergleich. Ein Vorteil der Bauform ist jedoch ihre Flexibilität. So lassen sich zum Beispiel auch  Photovoltaik Dachziegel  mit amorphen Zellen beschichten. Wie die Zellen im Vergleich abschneiden, zeigt die folgende Liste:

• Wirkungsgrad der Solarzellen: Sechs bis zehn Prozent
• Schwachlichtverhalten: Leistung fällt nur wenig bei diffusem Licht
• Wärmeverhalten: Leistung fällt nur wenig bei hohen Temperaturen
• Kosten: die günstigsten Solarzellen im Vergleich
• Langzeiterfahrungen: Leistung bleibt über etwas geringere Lebenszeit stabil

Sonderformen der Zellen für Solarmodule im Vergleich

Neben den konventionellen Zelltypen gibt es inzwischen auch andere, die sich größtenteils in der Entwicklung befinden. Beispiele dafür sind organische Zellen, Mehrfachsolarzellen und Konzentratorzellen. Die folgende Übersicht zeigt, was diese im Einzelnen auszeichnet:

• Organische Solarzellen:  Organische Zellen bestehen aus Kunststoffen und lassen sich einfacher, ressourcenschonender sowie günstiger herstellen. Ein weiterer Vorteil ist der sehr flexible Einsatz und die Produktion verschiedener Formen. Der Wirkungsgrad der Solarzellen ist im Vergleich zu anderen mit etwa 17 Prozent akzeptabel. Allerdings wurde das Ergebnis im Labor erreicht – in der Praxis kämen niedrigere Werte zustande. Ein weiterer Nachteil ist die  aktuell noch geringe Langzeitstabilität. So kann es passieren, dass sich die Plastiksolarzellen mit der Zeit zersetzen.  
• Mehrfachsolarzellen:  Mehrfach-, Tandem- oder Stapelsolarzellen bestehen aus mehreren Zellen übereinander. Alle wurden aus unterschiedlichen Materialien hergestellt, um verschiedene Bereiche des Lichts zu absorbieren. In der Gesamtheit nutzen Mehrfachsolarzellen das Licht daher besonders gut aus. Sie erreichen Wirkungsgrade von über 40 Prozent. Die Herstellung ist jedoch aufwendig und kostenintensiv, weshalb Mehrfachzellen überwiegen in Spezialbereichen wie Satelliten zum Einsatz kommen. Sie eignen sich aber auch in Konzentratoranlagen, da hier das Vielfache der normalen Lichtintensität der Sonne auf die Zellen trifft.  
• Konzentratorzellen:  Konzentratoranlagen bündeln das Licht der Sonne mit Spiegeln oder Linsen auf zentralen Punkten. Das hat eine deutlich höhere Intensität zur Folge, wodurch die sogenannten Konzentratorzellen auf der gleichen Fläche mehr Energie gewinnen als bei einer konventionellen Installation. Das spart wiederum Modulfläche ein und ermöglicht den Einsatz hochpreisiger Technologien mit hohem Wirkungsgrad. Ein Beispiel dafür sind die oben beschriebenen Mehrfachsolarzellen.  

Die Haupteinsatzbereiche von Solarzellen

Der klassische Einsatzbereich der Zellen sind die Photovoltaikanlagen, die man auf Haus- oder Garagendächern, auf Feldern und sogar auf Bushaltestellen sieht. Die Flächigkeit kommt dadurch zustande, dass die relativ kleinen Elemente zu größeren Modulen zusammengeschaltet sind. Solarzellen lassen sich somit für den privaten, betrieblichen oder öffentlichen Gebrauch nutzen.

Stromautark durch Solarstrom

Dabei kann sich der Verbraucher entscheiden, ob er den gewonnenen Strom in das öffentliche Stromnetz einspeist oder die erzeugte Energie aus dem Sonnenlicht selbst für die eigene Versorgung nutzt. Beim Letzteren macht sich der Verbraucher ein Stück weit von den am Markt herrschenden Strompreisen unabhängig.  Um den Autarkiegrad und die Eigennutzungsrate zu steigern, kommen vor allem  Stromspeicher  zum Einsatz. Diese sogenannten Kurzzeitspeicher nehmen den am Tag geernteten Strom auf und geben ihn auch in der Nacht noch an die Verbraucher im Haus ab. Hausbesitzer müssen dadurch weniger Strom aus dem öffentlichen Netz einkaufen und können ihre Stromkosten spürbar senken.