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 verständlich zusammen.

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

Geht es bei einer konventionellen Solarzelle um den Aufbau, sind zwei Halbleiterschichten besonders wichtig. Damit die darin enthaltenen positiven und negativen Ladungsträger richtig geleitet werden und, um eine höhere Spannung zu erreichen, kommt es zur gewollten Verunreinigung (Dotierung) dieser Schichten mit Fremdatomen. Dadurch entstehen im Halbleiter die sogenannten p- und n-dotieren Schichten. Für die entsprechende Spannung müssen diese 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 Zelle aus Silizium. Bei anderen Solarzellen finden sich im Aufbau andere Materialien.

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. 

Bestandteile einer Solarzelle sind außerdem Kontakte auf beiden Seiten, über die sich der Gleichstrom abgreifen lässt

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.

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. Doch wie funktioniert eine Solarzelle genau? Diese Frage beantworten wir im Folgenden Schritt für Schritt. 

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, umso 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, sodass ein Stromfluss entsteht.

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. Ein Grund, aus denen Installateure Indach-Solarmodule und Solardachziegel beispielsweise mit einer Luftwärmepumpe von innen kühlen. 

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.

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.

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.

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

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

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

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. 

Der klassische Einsatzbereich der Zellen 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 Elemente 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.