PV-Wissen: Wie funktioniert die Solarzelle?

Immer mehr Solarmodule zieren die Dächer Deutschlands und sorgen so für zusätzliche Energie. Ein solches Solarmodul besteht somit aus vielen einzelnen Solarzellen. Diese sind für die Umwandlung der Sonneneinstrahlung in elektrische Energie zuständig. Aber wie funktionieren Solarzellen eigentlich? Den genauen Prozess dahinter kennen die wenigsten. In diesem Beitrag verraten wir Ihnen, was Sie wissen müssen.

In der Photovoltaik dreht sich alles darum, Sonnenstrahlung in Strom umzuwandeln. Dazu kommen Solarzellen zum Einsatz, die in jeder PV-Anlage verbaut sein müssen – denn sie sind es, die diese Umwandlung überhaupt möglich machen.

Eine Solarzelle ist eine elektrisches Bauelement in quadratischer Form, das als Teil der Solarmodule die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt. Pro Solarmodul sind im Durchschnitt 60 Solarzellen integriert. Es sind aber auch Photovoltaik-Module mit 72 Zellen erhältlich. Mehrere Module zusammen bilden eine PV-Anlage.

Hergestellt werden diese Solarzellen aus kristallinem Silizium. Je reiner das Silizium ist, desto besser ist die Leitfähigkeit und desto höher der Wirkungsgrad. Der durchschnittliche Wirkungsgrad liegt etwa bei 18 %, wobei hochwertige Solarzellen einen Wirkungsgrad von bis zu 25 % erreichen können.

Wichtig: Nicht zu verwechseln ist die Solarzelle mit dem Solarkollektor, der zwar auch eine wichtige Funktion hat, aber im Bereich der Solarthermie, nicht in der Photovoltaik!

Solarzellen erfüllen eine wichtige Funktion. Das macht sie nicht nur für PV-Anlagen auf dem Dach so wertvoll – tatsächlich sind ihre Einsatzbereiche sehr vielfältig. So finden Solarzellen unter anderem bei diversen Alltagsgegenständen wie Taschenrechnern, Armbanduhren oder Parkautomaten Verwendung. Der große Vorteil: Der lästige Batteriewechsel fällt weg und die Nutzung der Sonnenenergie ist kostensparend. Und auch im Weltraum werden Solarzellen verwendet, da Satelliten, Raumsonden oder Raumkapseln damit ausgestattet sind. Schließlich gibt es dort oben keine Stromverbindung.

Solaranlagen liegen aktuell schwer im Trend. Die Solarzelle gibt es allerdings nicht erst seit diesem Jahrhundert. Erfunden wurde sie im 19. Jahrhundert vom französischen Wissenschaftler Alexandre Edmond Becquerel. Er entdeckte, dass Batterien unter Sonnenlicht eine höhere Lebensdauer aufweisen und leistungsfähiger sind. Er forschte so lange, bis er die erste Solarzelle im Jahr 1893 bauen konnte!

Damit die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom möglich ist, muss die Solarzelle auf eine ganz besondere Art und Weise funktionieren. Dazu besitzt jede Solarzelle ein Halbleitermaterial. Das liegt daran, dass Halbleiter bei Energiezufuhr eine bessere Leitfähigkeit ermöglichen.

Wenn nun Sonnenlicht auf die Solarzelle auftrifft, erhöht sich die Leitfähigkeit der Zelle und Elektronen kommen in Bewegung – Strom entsteht. Der häufigste Halbleiter, der bei der Herstellung von Solarzellen zum Einsatz kommt, ist Silizium. Wegen dieses Bestandteils funktionieren Solarzellen so gut.

Damit das Sonnenlicht von der Solarzelle nicht reflektiert, sondern aufgenommen wird, ist eine Antireflexschicht an der Oberseite aufgebracht. Dahinter verbirgt sich ein Gitter aus Leitbahnen, die die Funktion einer Kontaktschicht erfüllen. Das Metallgitter ist sehr dünn, damit auf die Siliziumplatte so viel Licht wie nur möglich gelangt. Für eine noch bessere Funktion der Solarzelle und eine positive Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften werden in den Siliziumkristallen Bor und Phosphor verwendet – man bezeichnet dies auch als Dotierung.

Die meisten Solarzellen – über 95 % auf dem Markt – bestehen aus Silizium. Allerdings lassen sich Solarzellen in drei Gruppen einteilen: monokristalline Solarzellen, polykristalline Solarzellen Dünnschichtzellen. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Eigenschaften, doch die Funktionsweise bleibt weitgehend gleich.

• Monokristalline Solarzellen: Wenn eine Solarzelle aus einkristallinem Silizium besteht, spricht man von sogenannten monokristallinen Solarzellen. Sie haben einen sehr hohen Siliziumanteil, sodass der Wirkungsgrad bei rund 20 % liegt. Dieser Wert wird bei der effektivsten Solarzelle und bei direkter Sonneneinstrahlung erzielt. Allerdings ist die Produktion etwas aufwendiger als bei den anderen Arten, was monokristalline Solarzellen teurer macht. Ihre effektive Funktionsweise lässt sich aber sehen!
• Polykristalline Solarzellen: Diese Art von Solarzellen bestehen zwar ebenfalls aus Silizium, doch es ist nicht so rein wie bei der monokristallinen Variante. Das macht sie preiswerter und steigert auch die Umweltbilanz der PV-Anlage. In der Regel bieten Photovoltaik-Anlagen mit polykristallinen Solarzellen eine gute Funktion und ein faires Preis-Leistungs-Verhältnis. Der Wirkungsgrad liegt bei rund 15 %.
• Dünnschichtzellen: Hierbei handelt es sich um sogenannte amorphe bzw. nichtkristalline Solarzellen. Das Silizium, das zur Herstellung verwendet wird, wird mit anderen Materialien vermischt und dann in einer dünnen Schicht auf ein Trägermaterial wie Glas aufgetragen. Der Wirkungsgrad dieser Solarzellen liegt bei etwa 5 bis 7 %.

Solarzellen lassen sich ganz grob auch in zwei Gruppen unterteilen: Dünnschicht- und Dickschichtzellen. Mono- und polykristalline Solarzellen verstehen sich als Dickschichtzellen, während Dünnschichtzellen für sich allein stehen. Zwar funktionieren die Solarzellen gleich, doch der Wirkungsgrad ist unterschiedlich. Bei der Auswahl einer leistungsfähigen PV-Anlage ist das also zu beachten.

Wie eine Solarzelle in der Theorie funktioniert, ist inzwischen geklärt. Doch es lohnt sich, noch tiefer in die Materie einzutauchen. Um die Funktionsweise von Solarzellen gänzlich zu begreifen, muss man sich mit ihrem Aufbau beschäftigen.

Damit Strom entstehen kann, nutzt sie den photoelektrischen Effekt. Das Kristallgitter aus Silizium-Atomen spielt mit der Antireflexschicht und mit der Dotierung zusammen. Doch was genau passiert bei der Dotierung?

Damit das Silizium das Sonnenlicht besser in Strom umwandeln kann, werden ihm kleine Mengen anderer Stoffe hinzugefügt, was auch „dotieren“ genannt wird. Eine Solarzelle hat sowohl eine n-dotierte (negativ dotierte) als auch eine p-dotierte (positiv dotierte) Schicht:

• n-dotierte Schicht: Diese Schicht enthält Atome wie Phosphor, die in ihrer äußersten Schicht mehr Elektronen haben als das Silizium. Die Schicht ist negativ geladen.
• p-dotierte Schicht: Diese Schicht enthält das Atom Bor, das über weniger Elektronen als das Silizium verfügt. Dadurch fehlen in dieser Schicht Elektronen und sie ist positiv geladen.

Wenn die Sonne auf die Solarzelle scheint und Photonen eindringen, werden Elektronen von ihren Atomen gelöst. Sie bewegen sich zur n-Schicht, während die durch ihre Abwanderung entstandenen „Elektronenlöcher“ zur p-Schicht wandern. Durch das Zusammenkommen dieser beiden Schichten entsteht ein internes elektrisches Feld. Sobald die Elektronen durch dieses Feld bewegt werden, fließen sie durch die äußere Leitung von der n-dotierten zur p-dotierten Schicht, bevor sie wieder in die Zelle zurückkehren. Dieser Kreislauf erzeugt den Gleichstrom.

Die Solarzelle funktioniert also wie eine Pflanze, die Photosynthese betreibt. Auch sie wandelt Sonnenenergie in eine nutzbare Form um. Genauso läuft es bei der Solarzelle ab – nur mit dem Unterschied, dass elektrischer Strom entsteht.

In Zusammenhang mit der Funktion einer Solarzelle spielt der Wirkungsgrad eine wichtige Rolle. Er gibt an, wie hoch der Prozentsatz der einfallenden Sonnenstrahlen ist, den die Solarzelle in elektrischen Strom umwandeln kann. Daher ist der Wirkungsgrad eine wichtige Kennzahl, wenn es um die Effizienz einer Solarzelle geht.

Es gilt: Je höher der Wirkungsgrad ist, desto mehr Strom kann Ihre PV-Anlage produzieren. Hersteller geben den Wirkungsgrad in der Regel im Datenblatt an. Wie Sie jetzt wissen, wird er davon beeinflusst, wie und vor allem wie effizient die Solarzelle funktioniert.

Übrigens: Der Wirkungsgrad wird nicht nur von der Beschaffenheit der Solarzellen beeinflusst, sondern auch von der Modulneigung, der Beschattung, der Temperatur, der Ausrichtung, des Standorts, des Alters der Anlage und der Wartung. Es gibt also einiges zu beachten, um eine Solaranlage maximal effizient zu betreiben!

Das Licht der Sonnenstrahlen setzt Elektronen in der Solarzelle frei, die dann als Gleichstrom weiter zum Wechselrichter geleitet werden. Mittels eines Wechselrichters wird der erzeugte Gleichstrom in den im Haushalt nutzbaren Wechselstrom umgewandelt.

Der erzeugte Wechselstrom wird zunächst – Stichwort „Eigenverbrauch“ – für die Stromversorgung im eigenen Haushalt genutzt. Überschüssige Energie wird im Speicher für Zeiten gesichert, in denen die Solaranlage den Bedarf nicht decken kann.

Jeder weitere Strom, der verbraucht wird, wird ins Netz eingespeist. Dafür erhalten Hausbesitzer eine Einspeisevergütung.

Dank kontinuierlicher Fortschritte in der Photovoltaik-Technologie haben sich sowohl der Wirkungsgrad als auch die Effizienz dieser Solarzellen seit ihrer Einführung erheblich verbessert.

Solarzellen gelten als einer der Hoffnungsträger, um die Energieproduktion von fossilen Brennstoffen zu lösen. Folglich setzen Industrie und Wissenschaft darauf, die Funktionsweise von Solarzellen weiter zu verbessern. Insgesamt ist die Solartechnik jedoch auch bereits relativ weit entwickelt. Allerdings gibt es unterschiedliche Ansätze, die Funktionsweise von Solarzellen zu optimieren.

Weltweit gibt es mehrere Technologien für die transparenten Solarzellen. Das hat zur Folge, dass sich zukünftig auch mit Fenstern Energie produzieren lässt. Und da Glas in der modernen Architektur immer mehr zum zentralen Element wird, ist das Potenzial gewaltig. Zukünftig könnten sich beispielsweise komplette Hausfassaden zur Energiegewinnung nutzen lassen. Und auch 3D-gedruckte Solarzellen werden derzeit erforscht.

Forschungsinstitute und Unternehmen arbeiten derzeit ebenfalls an Solarmodulen, die auch mit der von hinten einfallenden Sonnenenergie Strom produzieren können. Abhängig von Installationsort und -art sollen diese sogenannten „bifazialen Module“ knapp 20 % mehr Strom liefern als die bewährten Panels.

Zudem ist es mit neuartigen Solarzellen inzwischen auch schon möglich, in der Nacht Strom zu produzieren. Die modifizierte Solarzelle kann einen Teil der Sonnenstrahlen in Form von chemischer Energie speichern. Sobald die Sonne untergegangen ist und weiterhin Energie benötigt wird, kann diese wieder durch das Modul abgegeben werden.

Eine Solarzelle ist das kleinste Element einer Solaranlage. Die Funktion der Solarzelle besteht darin, mittels der Photonen der Sonne eine Reaktion auszulösen, die Strom erzeugt. Dazu nutzen sie den photoelektrischen Effekt, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Sie bestehen aus Siliziumkristallen und arbeiten durch eine Kombination von n-dotierten und p-dotierten Schichten. Diese erzeugen ein elektrisches Feld, wodurch Gleichstrom entsteht. Dieser wird im Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und kann so im Haushalt genutzt oder ins Netz eingespeist werden.

Obwohl die Entwicklung bei der Funktionsweise von Solarzellen schon relativ weit fortgeschritten ist, gibt es immer neue Entwicklungen, welche die Effizienz weiter maximieren.

Solarzellen sind ein wichtiger Bestandteil von Photovoltaik-Anlagen. Um die Funktionsweise einer PV-Anlage zu verstehen, ist es daher auch wichtig, zu begreifen, wie Solarzellen funktionieren. Zudem gibt es verschiedene Arten, die sich im Aufbau und hinsichtlich des Wirkungsgrads unterscheiden. Es ist also sinnvoll, sich vor der Anschaffung einer Solaranlage mit der Funktionsweise und den Unterschieden zwischen Solarzellen zu befassen.

In einer Solarzelle befindet sich Halbleitermaterial, sodass sich die Leitfähigkeit bei Lichteinfall - in diesem Fall Sonnenstrahlen - erhöht. Elektronen kommen in Bewegung und es entsteht Strom.

Wenn der über die Solarzelle erzeugte Strom weder ins öffentliche Stromnetz fließt noch in einen Speicher eingespeist oder vom Haushalt genutzt wird, geht er verloren. Zwar kommt es zu einer geringen Wärmeentwicklung in der Solarzelle, doch bei modernen Anlagen stellt das kein Problem dar.

Photovoltaikanlagen erzeugen in den meisten Fällen Gleichstrom. Da jedoch Haushaltsgeräte auf Wechselstrom angewiesen sind, gibt es einen Wechselrichter - dieser wandelt den Strom entsprechend um.

Einer der wichtigsten Rohstoffe für Solarzellen ist Silizium. Zudem sind weitere Materialien wie Aluminium und Kunststoff nötig.