Jetzt wird es spannend: 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.

Eine Solarzelle ist eine kleines quadratisches Bauelement, 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.

Die meisten Solarzellen – über 95 % auf dem Markt – bestehen aus Silizium. Allerdings lassen sich Solarzellen in zwei Gruppen einteilen: Dickschicht-Zellen und Dünnschicht-Zellen.

Dünnschicht-Solarmodule verwenden kristalline Solarzellen. Dickschicht-Zellen werden auch als kristalline Solarzellen bezeichnet und bestehen aus 0,18 mm bis 0,28 mm Silizium-Kristallscheiben, die weiter zur Solarzelle verarbeitet werden. Zu den häufigsten Varianten zählen monokristalline und polykristalline Solarzellen.

Monokristalline Solarzellen werden aus hochreinen kristallinen Siliziumstäben, sogenannten Ingots, hergestellt. Dank ihrer hohen Effizienz benötigen sie weniger Fläche als andere Module. Sie erreichen hohe Wirkungsgrade von bis zu 25 %. Allerdings hat diese Leitung auch ihren Preis. Monokristalline Solarzellen sind vergleichsweise teuer, besitzen aber wiederum eine Lebensdauer von bis zu 50 Jahren.

Polykristalline PV-Module sind weniger aufwändig in der Herstellung und ihr Wirkungsgrad liegt im Bereich von 13 bis 17 %. Ihre Lebensdauer kann bis zu 30 Jahren betragen. Sie werden aufgrund ihres günstigen Preises primär in großen Solarparks und Industrie verwendet.

Dünnschicht-Solarzellen werden durch das Auftragen dünner Schichten photovoltaischer Materialien auf ein Substrat hergestellt. Sie können aus einer Vielzahl von Materialien wie amorphem Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) oder Cadmiumtellurid (CdTe) hergestellt werden. Dünnschicht-Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von 10 bis 13 % und zeichnen sich durch ihre flexiblen Einsatzmöglichkeiten aus.

Wie also funktioniert eine Solarzelle? Die Antwort: Sie nutzt den photoelektrischen Effekt, um Strom zu erzeugen. Dazu bestehen Solarzellen aus einem Kristallgitter aus Silizium-Atomen. Dieses ist ein Halbleiter und wird aus Quarzsand gewonnen.

Eine Solarzelle besteht aus drei Schichten Silizium. Damit möglichst viele Photonen auf das Silizium treffen, ist die Oberseite einer Solarzelle mit einem hauchdünnen Film überzogen – mit einer Antireflexschicht. Sie soll verhindern, dass das Sonnenlicht von der Solarzelle reflektiert anstatt aufgenommen wird.

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:

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 Funktion einer Solarzelle ist übrigens vergleichbar mit einer Pflanze bei der Photosynthese, wobei ebenfalls Sonnenenergie in eine nutzbare Form umgewandelt wird.

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.

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.