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 direkt in elektrische Energie umwandelt. Die physikalische Grundlage bildet der photovoltaische Effekt.

Bei Lichteinwirkung entsteht zwischen den elektrischen Anschlüssen der Solarzelle eine Gleichspannung. Diese wird über den Wechselrichter der Anlage umgewandelt und als elektrischer Strom für den Eigenverbrauch oder die Netzeinspeisung bereitgestellt.
 

Aufbau und Funktion von Solarzellen

Aufbau, Materialzusammensetzung und Funktionsweise von Solarzellen bestimmen maßgeblich die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad der Photovoltaikmodule. Bei dem überwiegenden Teil der in Bestandsanlagen verbauten Solarzellen kommt der Halbleiter Silizium als Basismaterial zum Einsatz.

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut? 

Silizium-Solarzellen bestehen aus zwei dotierten Halbleiterschichten, die durch einen p-n-Übergang voneinander getrennt sind.

Die obere Halbleiterschicht ist n-dotiert (negativ), die untere p-dotiert (positiv). Das Dotieren bezeichnet das gezielte Einbringen von Fremdatomen in das Siliziumgitter, um eine definierte Ladungsträgerkonzentration zu erzeugen.

Für die n-dotierte Schicht wird häufig Phosphor verwendet, da Phosphoratome über mehr Außenelektronen als Silizium verfügen. Die p-dotierte Schicht wird in der Regel mit Bor angereichert, das weniger Außenelektronen als Silizium aufweist. Die dazwischenliegende Grenzschicht (p-n-Übergang) bildet eine Zone ohne freie Ladungsträger.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie trifft die elektromagnetische Strahlung in Form von Photonen auf die Halbleiterschicht der Solarzelle. Durch diesen PHOTOVOLTAISCHEN Effekt lösen sich Elektronen im Material. Die negativ geladenen Elektronen bewegen sich zur n-dotierten Schicht, während die verbleibenden positiv geladenen Fehlstellen (Löcher) zur p-dotierten Schicht wandern.

Durch diese Ladungstrennung entsteht im p-n-Übergangsbereich eine elektrische Spannung. Diese wird über die Kontaktschienen als Gleichstrom (DC) abgeleitet. Da die Spannung einer einzelnen Solarzelle gering ist, werden im Solarmodul zahlreiche Zellen in Reihe geschaltet, um die für den Betrieb erforderliche Leistung zu erzielen.

Der in den Solarzellen erzeugte Gleichstrom wird anschließend durch den Wechselrichter der Anlage in Wechselstrom (AC) umgewandelt, damit dieser im hauseigenen Stromnetz verwendet oder eingespeist werden kann. 

Gibt es unterschiedliche Arten Solarzellen? 

Bei den in Photovoltaikanlagen eingesetzten Solarzellen auf Siliziumbasis wird im Wesentlichen zwischen monokristallinen, polykristallinen und Dünnschicht-Solarzellen unterschieden. Dünnschicht-Solarzellen weisen einen geringeren Wirkungsgrad auf und sind im Bereich privater Dacheindeckungen selten vertreten. Bei Bestandsanlagen bilden monokristalline und polykristalline Module den Hauptanteil, wobei monokristalline Solarzellen in neueren Anlagengenerationen vorherrschend sind.

Monokristalline Solarzellen bestehen aus einer einheitlichen Siliziumkristallstruktur. Durch die gleichmäßige Ausrichtung der Kristallgitterstruktur fallen die Energieverluste an den Materialgrenzen gering aus, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt.

Polykristalline Solarzellen setzen sich aus unterschiedlich großen Siliziumkristallen zusammen. An den Übergängen dieser Kristallgrenzen entstehen technologisch bedingte Leistungsverluste, weshalb ihr Wirkungsgrad unter dem von monokristallinen Zellen liegt.

Bei Dünnschicht-Solarzellen wird das Halbleitermaterial in dünnen Schichten auf Trägermaterialien wie Folien oder Glas aufgetragen. Diese Bauart ermöglicht eine flexible Verarbeitung, weist jedoch einen im Vergleich geringeren Wirkungsgrad auf.

Vor- und Nachteile von Solarzellen-Typen im Überblick

Solarzelle, Solarmodul und Solaranlage

Die Begriffe Solarzelle und Solarmodul werden häufig synonym verwendet, bezeichnen jedoch unterschiedliche Komponenten einer Photovoltaikanlage.

Die Solarzelle bildet die kleinste funktionelle Einheit, in der die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie erfolgt. Um eine technisch nutzbare Leistung zu erzielen, sind in den verbauten Solarmodulen mehrere Solarzellen zusammengeschaltet – gängig ist beispielsweise die Verschaltung von 54 Vollzellen (entspricht 108 Halbzellen) innerhalb eines Moduls.

Eine Photovoltaikanlage besteht wiederum aus mehreren dieser Solarmodule. Diese sind über Steckverbindungen untereinander gekoppelt und über einen Wechselrichter an das gebäudeseitige Stromnetz angeschlossen.
 

Bedeutung von Solarzellen: Warum sind sie so wichtig?

Die Sonne stellt ein bedeutendes Energieangebot zur Verfügung. Über die Sonnenstrahlung trifft innerhalb einer Stunde mehr Energie auf die Erde, als die weltweite Bevölkerung im Verlauf eines Jahres verbraucht. Mithilfe von Solarzellen lässt sich diese Einstrahlung technisch nutzen und in elektrische Energie umwandeln, weshalb die Photovoltaik einen zentralen Baustein im Bereich der erneuerbaren Energien bildet.

Solarzellen sind die kleinsten funktionellen Bauelemente von Solarmodulen, die in Photovoltaikanlagen auf Dach- und Freiflächen zusammengeschaltet werden.

Neben der stationären Stromerzeugung finden Solarzellen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen Einsatz. Kleinere integrierte Solarzellen dienen der dezentralen Energieversorgung von Alltagsgeräten wie Taschenrechnern, Uhren oder Außenleuchten. Zudem kommt die Photovoltaik in der Raumfahrt zur Stromversorgung von Satelliten und Raumsonden zur Anwendung.

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.