Kurz erklärt: Die Solarzelle und ihr Aufbau

Photovoltaikanlagen und Solarzellen sind aus dem Bereich der Energiewirtschaft nicht mehr wegzudenken. Zudem gibt es immer noch viele neue Entwicklungen und Forschungsarbeiten, wie das Sonnenlicht effektiv zunutze gemacht werden kann. Was dabei grundlegend passiert, ist dem einen oder anderen klar. Doch wie bei der Solarzelle der eigentliche Aufbau aussieht und was genau geschieht, wenn Sonnenstrahlen auf diese treffen, wissen wahrscheinlich nur die wenigsten. Der folgende Artikel soll dabei helfen, ein wenig Licht ins Dunkel zu bringen. 

Grundlagen zum Aufbau einer Solarzelle

Herzstück einer Photovoltaikanlage ist die Solarzelle. Ihre Funktionsweise basiert grundlegend darauf, dass bestimmte Materialien Licht direkt in Strom umwandeln. Die Rede ist hierbei von Halbleitern, die sowohl Eigenschaften von Nichtleitern, wir auch von elektrischem Leitern besitzen. Eines der wichtigsten Halbleitermaterialien ist Silizium, aus dem ein Großteil der Solarzellen besteht. Als Bestandteil von Quarzsand lässt es sich heute besonders preiswert herstellen.

Das Bild zeigt eine Solarzelle. ihr Aufbau ist in jedem Paneel grundsätzlich gleich. 
© Stockfotos-MG | Fotolia

Die Solarzelle – Aufbau 

Prinzipiell besteht eine Solarzelle aus zwei Halbleiterschichten. Damit die darin enthaltenen positiven und negativen Ladungsträger richtig geleitet werden und, um eine höhere Spannung zu erreichen, kommt es zur gewollten Verunreinigung. Die sogenannten Fremdatome spielen eine wichtige Rolle. Dadurch entstehen im Halbleiter die sogenannten p- und n-dotieren Schichten. Für die entsprechende Spannung müssen diese Schichten unterschiedlich geladen sein. Dafür werden der p-Schicht dreiwertige Bor-Atome hinzugefügt. Es entsteht ein positiver Ladungsüberschuss. Bei der n-Schicht kommen hingegen fünfwertige Phosphor-Atome hinzu. Diese machen die Schicht negativ. Dies gilt jedoch nur für eine Solarzelle aus Silizium. Bei anderen Materialien werden andere Stoffe hinzugefügt.

Genauer heißt das, in der n-Schicht der Solarzelle sind die Teilchen so angeordnet, dass sich ein paar Elektronen relativ frei bewegen können. In der p-Schicht ist es so, dass an einigen Stellen Elektronen fehlen. Es bilden sich demnach Löcher, in die sich Elektronen aus der direkten Nachbarschaft setzen.

Den Übergang zwischen beiden Schichten bildet eine dritte – nämlich die Grenzschicht. Über diese findet die Wanderung der Elektronen statt. Die wiederum zu einem internen elektrischen Feld führt. 

Was passiert beim Eintreffen des Sonnenlichts auf die Solarzelle?

Der oben beschriebene Aufbau einer Solarzelle bedingt deren Funktionsweise. Denn treffen Sonnenstrahlen auf die dreischichtige Zelle, bewirken die im Licht enthaltenen Photonen, dass sich die Elektronen von den Atomen lösen. Diese freien Elektronen wandern nun in die n-Schicht ab. Gleichzeitig bewegen sich die Löcher in Richtung der p-Schicht.

Wichtig bei einer Solarzelle und ihrem Aufbau: Je länger der Weg, welchen die Teilchen benötigen, um so höher ist die Stromspannung. Hierbei muss jedoch immer eine Balance geschaffen sein zwischen der Wegstrecke und der kontinuierlichen Anziehung.

Je wärmer die Solarzellen sind, desto geringer ist ihre Leistung

Die Teilchen wandern demnach entlang der elektrischen Spannung zu dem jeweiligen Pol. Das heißt auch, dass an der Vorder– und Rückseite jeweils Kontaktschichten aus einem Leitermaterial (Metall) sind. Diese Flächen bilden den entsprechenden Pol. Sie bestehen meist aus Aluminium oder Silber. Über jene werden die Elektronen abgeleitet, sodass ein Stromfluss ensteht.

Dabei ist hervorzuheben, dass der Wanderung Grenzen gesetzt sind und dies vor allem durch die Temperaturen. Denn je wärmer es ist, umso weniger bewegen sich Elektronen-Loch-Paare. Das heißt, dass die Leistung der Solarzellen abnimmt, je wärmer sie sind.

Wissenswertes: Seit wann ist der photovoltaische Effekt bekannt?

Der für eine Solarzelle 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, der dem 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 Solarzelle aus Silizium erfolgte dann 1954. 

heizung.de Redakteurin Jeannette Kunde
Fazit von Jeannette Kunde
Geht es also um die Solarzelle und ihren Aufbau, stehen die p- und n-dotierten Schichten im Mittelpunkt, die jeweils unterschiedlich geladen sind. Durch die im Licht enthaltenen Photonen werden Elektronen freigesetzt. Das löst eine Bewegung aus, die wiederum Strom fließen lässt. Je nach Reinheit der Zellmaterialien bestimmt sich der Wirkungsgrad. 
Beratung durch Ihren Heizungsinstallateur vor Ort

Sie benötigen eine individuelle Beratung oder ein Angebot für Ihre neue Heizung?

news-icon
Neueste Artikel
Artikelbewertung