Solarzelle: Alles, was Sie wissen müssen

Solarzellen erzeugen Strom aus Sonnenlicht – so viel ist hinlänglich bekannt. Aber wie funktioniert das eigentlich im Detail? Und welche Rolle spielen Solarzellen heute und in Zukunft für die Energieversorgung in Deutschland?  

Wir erklären in diesem Beitrag, wie eine Solarzelle aufgebaut ist, wie die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie funktioniert, welche Faktoren die Leistung von Solarzellen beeinflussen, wer die Solarzelle erfunden hat und wie die Entwicklung weiter geht. 

 

Definition: Was ist eine Solarzelle? 

Eine Solarzelle ist ein optoelektronisches Bauelement, das Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Die physikalische Basis dafür ist der sogenannte photovoltaische Effekt – daher nennt man Solarzellen auch photovoltaische Zellen. 

Sobald Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, erzeugt diese zwischen ihren Anschlüssen elektrische Spannung, die bei entsprechender Umwandlung als elektrischer Strom abgeleitet und nutzbar gemacht werden kann.

 

Aufbau und Funktion von Solarzellen

Der Aufbau und die Funktion von Solarzellen sind eng miteinander verbunden. Zudem sind die verwendeten Materialien entscheidend für die Leistung und Effizienz der photovoltaischen Zellen. In mehr als 95 % aller Solarzellen kommt heute das Halbleitermaterial Silizium zum Einsatz. 

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut? 

Moderne Solarzellen bestehen heutzutage in der Regel aus zwei Silizium-Halbleiter-Schichten, die durch eine Grenz- bzw. Übergangsschicht voneinander getrennt sind. 

Die oberen Halbleiterschicht ist negativ geladen (n-dotiert), die untere positiv (p-dotiert). Dotiert bedeutet, dass gezielt Fremdatome integriert wurden, um eine negative bzw. positive Ladung zu erreichen. 

In der negativ geladenen Schicht wird dazu häufig Phosphor beigemischt, denn Phosphoratome besitzen mehr Außenelektronen als Silizium. 

Die positiv geladene Schicht wird häufig mit Bor angereichert, da das chemische Element weniger Außenelektronen hat als Silizium. Die trennende Grenz- oder auch p-n-Übergangsschicht besteht meist aus einem Siliziumkristallgitter ohne freie Ladungsträger. 

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Die Energieträger, die bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie genutzt werden, sind die Photonen. Treffen die Photonen der Sonnenstrahlung auf die Halbleiterschicht, lösen sich die Elektronen und bewegen sich. Negativ geladene Elektronen wandern zur n-dotierten Schicht, sodass positiv geladene Löcher zurückbleiben, die sich ihrerseits zu p-dotierten Schicht bewegen. 

Durch die Bewegung der Elektronen wird in der Übergangsschicht zwischen den beiden Halbleitern elektrische Spannung erzeugt. Diese wird über Metallkontakte als Gleichstrom (DC) abgeleitet. Die Spannung, die innerhalb einer Solarzelle erzeugt wird, ist relativ gering – erst im Verbund vieler Solarzellen entsteht ausreichend Strom, um zum Beispiel ein Einfamilienhaus zu versorgen. Der in den Solarzellen erzeugte Gleichstrom (DC) muss mittels Wechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden, damit Sie ihn im Haushalt nutzen können. 

Detaillierte Informationen, wie Solarmodule auf dem Dach funktionieren und was zu einer funktionierenden Solaranlage gehört, bietet Ihnen unser Beitrag Wie funktioniert Photovoltaik?
 

Gibt es unterschiedliche Arten Solarzellen? 

Bei den heute gängigen Solarzellen auf Siliziumbasis unterscheidet man im Wesentlichen zwischen monokristallinen, polykristallinen und Dünnschicht-Solarzellen. Dünnschicht-Solarzellen kommen jedoch aufgrund ihres geringen Wirkungsgrads auf privaten Dächern nur sehr selten zum Einsatz. Am häufigsten sind heute die leistungsstarken monokristallinen Solarzellen – sie haben die bläulich schimmernden polykristallinen Solarzellen der ersten Generationen mehr und mehr verdrängt. 

Monokristalline Solarzellen besteht aus reinem (monokristallinem) Silizium – das bedeutet, dass die Siliziumkristalle der Halbleiterschicht alle die gleiche Größe haben. Daher ist der Energieverlust in den Grenzbereichen der Kristallgitterstruktur minimal. 

Polykristalline Solarzellen hingegen bestehen aus unterschiedlich großen Siliziumkristallen. Durch die Größenunterschiede kommt es an den Übergängen der Siliziumkristalle zu Leistungsverlusten, sodass sie einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen als die monokristallinen Solarzellen. 

Bei Dünnschicht-Solarzellen wird das Halbleitermaterial Silizium mit anderen Substanzen vermischt. So lassen sich die Solarzellen zwar hauchdünn auf flexible Trägermaterialien wie Folien oder Kunststoffe auftragen, ihr Wirkungsgrad ist allerdings deutlich geringer als bei den beiden anderen Solarzellenarten. 

Vor- und Nachteile von Solarzellen-Typen im Überblick

Solarzelle, Solarmodul und Solaranlage

Solarzellen und Solarmodule werden häufig synonym verwendet – tatsächlich sind es aber unterschiedliche Komponenten von Solaranlagen. 

Die Solarzelle ist das kleinste Bauteil – in ihr findet die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie statt. Um ausreichend nutzbare Energie zu erzeugen, werden in unseren SENEC-Modulen 54 Vollzellen (also 108 Halbzellen) in einem Solarmodul zusammengefasst. 

Eine Solaranlage (Photovoltaikanlage) wiederum besteht aus mehreren dieser Solarmodule, die über Steckverbinder miteinander verbunden und über einen Wechselrichter an das Hausnetz angeschlossen werden.
 

Bedeutung von Solarzellen: Warum sind sie so wichtig?

Die Sonne ist die größte Energiequelle, die uns Menschen zur Verfügung steht. Innerhalb einer einzigen Stunde schickt sie über die Sonnenstrahlung mehr Energie auf die Erde, als die komplette Weltbevölkerung derzeit im Laufe eines ganzen Kalenderjahres verbraucht. Mithilfe von Solarzellen wird das unglaubliche und frei verfügbare Potenzial der Solarenergie nutzbar. Damit ist die Solarzelle unverzichtbar für die künftige Energieversorgung auf Basis erneuerbarer Energien.  

Solarzellen sind die kleinsten Bauelemente von Solarmodulen, aus denen wiederum Photovoltaikanlagen gefertigt  werden, die man auf privaten Dächern, auf Gewerbeimmobilien oder auf Freiflächen sieht. 

Doch Solarzellen sind auch in vielen anderen Bereichen längst Bestandteil unseres Alltags. Denken Sie an Taschenrechner, Digitaluhren, Camping- und Gartenlampen, sogar Parkuhren, die sich allesamt mit kleinen integrierten Solarzellen „autark“ mit Strom versorgen. Auch im Weltraum werden Satelliten und Raumsonden durch Solarzellentechnologie und Sonnensegel ständig unabhängig mit Elektrizität versorgt. 
 

Wer hat die Solarzelle erfunden?

Die Frage lässt sich nicht so leicht beantworten, wie man vielleicht denkt. Die Grundlage für die Stromgewinnung aus Solarenergie schuf der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel, als er 1839 den photovoltaischen Effekt entdeckte. Konkret stellte er fest, dass dem Sonnenlicht ausgesetzte Batterien eine höhere Leistung erbringen. Erklären konnte er sich den Effekt allerdings nicht. 

Knapp 40 Jahre später konnte man nachweisen, dass ein Feststoff (Selen) unter Einwirkung von Sonnenlicht elektrische Energie erzeugt – ohne einen Umweg über Wärme oder kinetische Energie wie etwa bei Kraftwerken. 1883 baute schließlich der Erfinder Charles Fritts die erste Solarzelle auf Basis von Selen. Dieser Prototyp lieferte allerdings nicht genug Leistung für eine Anwendung. 

1948 entstand das Konzept der heutigen Halbleiter-Photovoltaik. Kurze Zeit später, im Jahr 1954, präsentierte die US-Firma Bell Labs die erste wirklich nutzbare Solarzelle auf Siliziumbasis mit einem Wirkungsgrad von 6 %. Seither wird die Solarzellentechnologie beständig weiterentwickelt. Heutige Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 25 % –gleichzeitig sinken die Herstellungskosten aufgrund der hohen Nachfrage. 
 

Ausblick: Wie entwickelt sich die Solarzelle in Zukunft?

Die hohe Nachfrage nach Photovoltaiklösungen und ihre Bedeutung für die Energieversorgung der Zukunft erfordert eine noch effizientere, günstigere und widerstandfähigere Solarzellentechnologie. 

Aktuelle Forschungen zeigen, wie groß das Potenzial der Photovoltaik ist. So erzielen sogenannte Tandem-Solarzellen in Tests bereits Wirkungsgrade von über 40 % – hierbei nutzen unterschiedliche Materialien in einem Mehrschichtverfahren jeweils einen anderen Teil des Lichtspektrums für die Umwandlung in elektrische Energie. 

Ebenfalls vielversprechend und auf dem Weg zur Marktreife sind Perowskit-Solarzellen, die günstige Produktionskosten mit hoher Effizienz verbinden. Allerdings sind sie noch sehr witterungsempfindlich, was derzeit eine schnelle Alterung und rasche Leistungsverluste mit sich bringt. 

Unabhängig von der Entwicklung sind die aktuell verfügbaren Solarzellen und Solarmodule leistungsstark und robust – und sie werden tendenziell günstiger. Im Zeitraum von 2012 bis 2020 halbierten sich die Anschaffungskosten. Die zunehmende Nachfrage könnte diesen Trend verstärken. Wenn Sie sich für eine Photovoltaikanlage interessieren, sollten Sie also nicht unbedingt auf künftige Innovationen warten, sondern bereits jetzt auf bewährte und wirtschaftliche Solartechnologie setzen. 

Wie Sie mit einer Photovoltaikanlage Ihr eigener Stromversorger werden und sich unabhängiger von stetig steigenden Strompreisen machen, erfahren Sie mit unserem Konzept SENEC.360.