Solarzelle: die Keimzelle der Solartechnik

Eine Solarzelle ist die kleinste Einheit in der Solaranlage beziehungsweise auf dem Teilgebiet der Photovoltaik. Sie ist in der Lage, das auftreffende Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln. Der folgende Überblick fasst Funktionsweise, Arten, Aufbau und Einsatzbereiche der Solarzelle übersichtlich zusammen.

Eine Solarzelle besteht aus verschiedenen Schichten. Im Hinblick auf die photoelektrische Wirkung ist das Halbleiterleitermaterial am wichtigsten. Hier wird meistens Silizium verwendet, das in der Erdkruste in großen Mengen vorhanden ist. Es wird in der Solarzelle in zwei verschiedenen Varianten (p- und n-Dotierung) verwendet, die durch eine Grenzschicht voneinander getrennt sind.

Oberhalb und unterhalb der Siliziumschicht befinden sich eine negative beziehungsweise positive Elektrode. An der Oberseite ist die Solarzelle zudem mit einer Antireflexschicht bedeckt. Sie 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. Wie die Zusammensetzung im Detail aussieht, lesen Sie im Beitrag "Solarzellen-Aufbau". 

Die Solarzelle basiert in ihrer Funktionsfähigkeit auf dem photoelektrischen Effekt, der Sonnenlicht in Strom umwandeln kann. Dies geschieht durch das Halbleitermaterial (in der Regel Silizium), das durch den Einfluss von Licht oder Wärme seine Eigenschaften im Hinblick auf die Ladung verändert. Es kommt zu einem positiven beziehungsweise negativen Ladungsträgerüberschuss in den beiden, voneinander getrennten Silizumschichten der Solarzelle.

Auf diese Weise ist die Leitfähigkeit der Siliziumschicht die Grundlage für die Stromerzeugung. Damit der Strom auch genutzt werden kann, sind an der Solarzelle zwei Kontakte angebracht, die über ein Stromkabel die gewünschten elektrischen Geräte mit Energie versorgen können. Wichtig ist dazu lediglich ein Photovoltaik-Wechselrichter, der den gewonnenen Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

• die Dicke des Materials: Dünn- und Dickschichtzellen
• der verwendete Halbleiter: Silizium oder (seltener) auch Arsenide oder Cadmiumtellurid
• die Struktur der verwendeten Kristalle: mono- oder polykristallin, amoprh

Während der Wirkungsgrad angibt, wie effektiv Solarzellen die 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.

Wichtig zu wissen ist, dass die Angaben dem theoretischen Maximum entsprechen. Denn in der Praxis hängt die Leistung der Zellen sehr stark von den Umgebungstemperaturen und Einstrahlwerten ab. Sogenannte MPP-Tracker, die sich meist im Wechselrichter befinden, gleichen diese Einflussfaktoren aus, um fortwährend für einen effizienten und leistungsstarken Betrieb zu sorgen.

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

Polykristalline Solarzellen:

• Herstellung aus Silizium-Blöcken (zuvor gegossen und erstarrt)
• Geringerer Wirkungsgrad (zwölf bis 16 Prozent)
• Vor allem für große Dachflächen
• Wesentlich günstiger

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.

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

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.