Kurz erklärt: Die Solarzelle und ihr Aufbau

Photovoltaikanlagen und Solarzellen sind mittlerweile aus dem Bereich der Energiewirtschaft nicht mehr wegzudenken. Zudem gibt es immer noch viele neue Entwicklungen und Forschungen, 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. Dabei basiert die Funktionsweise grundlegend darauf, dass bestimmte Materialien Licht direkt in Strom umwandeln. Dabei geht es um die sogenannten Halbleiter. Dies sind Stoffe, die sowohl Eigenschaften von Nichtleitern als auch von Leitern besitzen. Ihre elektrische Leitfähigkeit ist unterschiedlich. Eines der wichtigsten Halbleitermaterialien ist Silizium. Ein Großteil der Solarzellen besteht aus eben diesen Material. Als Bestandteil von Quarzsand lässt es sich besonders preiswert herstellen. Ebenso spricht für den Stoff, dass er hochrein ist. 
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 nämlich 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. Damit 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 sogenannte Löcher. In diese können Elektronen aus der direkten Nachbarschaft reinrutschen.

Den Übergang zwischen diesen 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 mit einem Sonnenstrahl, wenn er auf die Solarzelle trifft?

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. Geleichzeitig bewegen sich die Löcher in Richtung der p-Schicht.

Wichtig bei einer Solarzelle und ihrem Aufbau ist dabei, dass je länger der Weg ist, 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.

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 und zum Fließen gebracht. Damit entsteht Strom.

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 Elektron-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 photovolatischen Effekt, der dem Aufbau einer Solarzelle zugrunde liegt. Er experimentierte mit Batterien (einen galvanischen Stoff enthaltend), indem er diese mit Licht bestrahlte. Ergebnis war: er beobachtete 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. 

Verschiedene Arten von Solarzellen – jeweils unterschiedlicher Aufbau?

Für jede Solarzelle gilt: ihr Aufbau ist grundsätzlich immer gleich. Und dennoch lassen sich drei verschiedene Typen von Siliziumzellen unterscheiden. Kennzeichnend ist in diesem Zusammenhang der Wirkungsgrad.

Folgende Typen gibt es:

  1. Monokristalline Solarzellen:
    • Herstellung aus einkristallinen Siliziumstäben
    • In dünne Scheiben geschnitten
    • Hoher Siliziumgehalt und damit hoher Wirkungsgrad (bis zu 20 Prozent)
    • Vor allem für kleine Photovoltaik-Flächen
  2. Polykristalline Solarzellen:
    • Herstellung aus Silizium-Blöcken (zuvor gegossen und erstarrt)
    • Geringerer Wirkungsgrad (zwölf bis 16 Prozent)
    • Vor allem für große Dachflächen
    • Wesentlich günstiger
  3. Dünnschichtsolarzellen:
    • Silizium auf Träger aufgedampft oder aufgesprüht
    • Sehr leicht und preiswert
    • Module können flexibel eingesetzt werden
    • Relativ niedriger Wirkungsgrad (vier bis zehn Prozent)

Darüber hinaus gibt es einige Sonderformen, wie Mehrfach- oder Tandemzellen, die zumindest im Labor deutlich höhere Wirkungsgrade erzielen können.

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. Das führt wiederum dazu, dass Strom fließt. Je nach Reinheit des Materials bestimmt sich der Wirkungsgrad. 
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