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Solarzelle - Aufbau, Wirkungsgrad und Funktion

Redaktionsbild von der Autorin
Undine Tackmann
22. März 2024

Eine Solarzelle wandelt Sonnenlicht mittels des photovoltaischen Effekts direkt in elektrische Energie um. Um den erwünschten Ertrag zu erwirtschaften, ist es wichtig, die passenden Solarzellen auszuwählen. Wir erklären Ihnen, wovon die Leistung abhängt und wie Sie das passende Solarmodul auswählen.

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Wie funktioniert eine Solarzelle?

Wenn die Sonnenstrahlung (Photonen) auf die Solarzelle trifft, erzeugt sie positive und negative Ladungsträger (Elektronen und Löcher). Dies geschieht aufgrund der halbleitenden Eigenschaft des Halbleitermaterials (häufig Silizium). Die Ladungsträger werden anschließend durch das elektrische Feld innerhalb der Solarzelle getrennt und erzeugen einen elektrischen Strom. Dadurch kann die Solarzelle die Sonnenenergie in nutzbare elektrische Energie umwandeln.

Die Leistungsstärke einer Solaranlage wird maßgeblich von den gewählten Solarzellen beeinflusst, da hier die eigentliche Stromgewinnung stattfindet. Eine einzelne Solarzelle hat dabei eine vergleichsweise geringe Leistung. Deshalb werden für Photovoltaikanlagen mehrere Zellen miteinander gekoppelt. Durch die Serienschaltung von Solarzellen wird die Spannung erhöht, während die Parallelschaltung den Strom erhöht. Diese zusammengeschalteten Solarzellen ergeben dann das Solarmodul.

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?

  • Halbleitermaterial: Das am häufigsten verwendete Material in Solarzellen ist Silizium. Silizium wird in zwei Schichten unterteilt: die n-Schicht und die p-Schicht. Die n-Schicht (negativ) enthält zusätzliche Elektronen, während die p-Schicht (positiv) über zusätzliche Löcher (Elektronenfehlstellen) verfügt. Dies erzeugt ein elektrisches Feld an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten.
  • Grenzübergang: Der p-n-Übergang (Grenzschicht) ist das Herzstück der Solarzelle. Wenn Sonnenlicht auf die Zelle trifft, werden durch die absorbierte Energie Elektronen aus ihren Atomen gelöst, wodurch Elektron-Loch-Paare entstehen. Das elektrische Feld am p-n-Übergang treibt die Elektronen zur n-Seite und die Löcher zur p-Seite, wodurch ein Stromfluss entsteht.
  • Vorder- und Rückseitenkontakte: Um den erzeugten Strom nutzen zu können, sind an den Außenseiten der Solarzelle elektrische Kontakte angebracht. Die Vorderseite, die dem Licht zugewandt ist, hat in der Regel eine Gitterstruktur von Kontakten, die so gestaltet ist, dass sie möglichst wenig Licht blockiert. Die Rückseite ist vollflächig mit einem Metallkontakt bedeckt, um eine gute elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten.
Solarzelle Aufbau und Funktion im Querschnitt sieht man den Vorderseitenkontakt mit den beiden Siliziumschichten der Grenzschicht und dem Rückseitenkontakt
Funktionsweise einer Solarzelle eines Solarmoduls.
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Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Dickschichtzellen

Dickschichtzellen basieren auf kristallinem Silizium und entstehen durch die Verarbeitung von Siliziumwafern. Zu den häufigsten Varianten zählen monokristalline und polykristalline Solarzellen. Diese Bezeichnung grenzt sie von den Dünnschichtzellen ab. Im Vergleich sind Dickschichtzellen bis zu hundertmal dicker als ihre Dünnschicht-Pendants und zeichnen sich durch eine höhere Effizienz aus.

Dünnschicht Solarzellen

Dünnschichtsolarzellen können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, darunter amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS), Cadmiumtellurid (CdTe) oder organische Materialien. Im Vergleich zu kristallinen Zellen weisen sie eine geringere Effizienz auf, sind allerdings sehr dünn und flexibler einsetzbar. Durch den einfacheren Herstellungsprozess sind Dünnschicht Solarzellen außerdem kostengünstig.

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarmodule setzen sich aus vielen kleinen Siliziumkristallen zusammen. Dadurch ist ihre Effizienz etwas geringer als die von monokristalline Zellen, allerdings sind sie auch kostengünstiger. Solaranlagen mit polykristallinen Solarmodulen weisen ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis auf und werden deswegen häufig für Anlagen auf Wohngebäuten genutzt.

Monokristalline Solarzellen

Sie bestehend aus einem durchgängigen, hochreinem Siliziumkristall. Dadurch weisen monokristalline Solarzellen eine hohe Effizienz und lange Lebensdauer auf. Häufig werden sie dort angewandt, wo eine hohe Leistung der Solarmodule erforderlich und/oder wenig Platz für eine Solaranlage ist.

Mehrfachsolarzellen (Tandem- oder Stapelsolarzellen)

Mehrfahrsolarzellen - auch Tandemsolarzellen oder Stapelsolarzellen genannt - bestehen aus einer Kombination mehrerer Schichten verschiedener Halbleitermaterialien. Jede Schicht absorbiert einen anderen Teil des Sonnenlichts und wandelt es in elektrische Energie um, wodurch eine extem hohe Effizienz entsteht. Die Herstellung ist sehr aufwändig und kostspielig. Mehrfachsolarzellen können derzeit noch nicht von Privatpersonen genutzt werden. Aufgrund ihrer hohen Wirkungsgrade soll sich dies jedoch mit fortschreitender Technologie ändern.

Organische Solarzellen

Die halbleitenden Materialien von organischen Solarzellen bestehen im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffverbindungen. Daher werden sie auch oft als „Plastik-“ oder „Kunststoffsolarzellen“ bezeichnet. Organische Solarzellen basieren auf demselben Funktionsprinzip wie alle anderen Solarzellen auch, allerdings erreichen sie im Durchschnitt nur Wirkgrade von unter 10 Prozent. Großer Pluspunkt ist ihre extrem flexible Anwendbarkeit. So können die dünnen Solarzellen einfach auf ein Trägermaterial aufgedruckt werden.

Amorphe Solarzellen

Amorphe Solarzellen sind eine Art von Dünnschichtsolarzellen, die aus einem amorphen (nicht kristallinen) Siliziumschicht hergestellt werden. Unter den Silizium-basierten Zellen haben sie die geringste Effizienz, sind jedoch sehr kostengünstig. Häufige Einsatzgebiete sind beispielsweise bei Taschenrechnern, Uhren und anderen Anwendungen mit einem geringem Energiebedarf.

Welchen Strom liefert eine Solarzelle?

Im Durchschnitt liefert eine Standard-Solarzelle unter optimalen Bedingungen einen Gleichstrom von etwa 30 bis 40 Milliampere pro Quadratzentimeter Solarzellenfläche. Die Spannung einer typischen Silizium-Solarzelle liegt bei etwa 0,5 bis 0,6 Volt. Eine Solarzelle mit einer Fläche von 156 mm x 156 mm (ca. 244 Quadratzentimeter) könnte demnach einen Strom von etwa 7,3 bis 9,8 Ampere liefern, vorausgesetzt, die gesamte Oberfläche ist der Sonnenstrahlung ausgesetzt und die Zelle arbeitet effizient.

Bevor der Strom im Haushalt genutzt werden kann, muss er allerdings mittels eines Wechselrichters zuvor in Wechselstrom umgewandelt werden. Zudem ist es wichtig zu beachten, dass die tatsächlichen Werte je nach den spezifischen Eigenschaften der Solarzelle, den lokalen Lichtverhältnissen und anderen Umgebungsfaktoren variieren können.

Wechselrichters wandelt Sonnenlicht in Strom um
Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom mittels Wechselrichter.

Welchen Wirkungsgrad hat eine Solarzelle?

Im Durchschnitt liegt der Wirkungsgrad von Solarzellen bei etwa 5 bis 25 Prozent, theoretisch können jedoch bis zu 41 Prozent erreicht werden. Der Wirkungsgrad von Solarzellen hängt von den verwendeten Siliziumkristallen ab. Je reiner das Silizium ist, desto besser ist die Leitfähigkeit und umso höher der Wirkungsgrad.

Neben dem Material, aus dem die Solarzelle besteht, bestimmen auch die Umgebungstemperatur, die Witterungsverhältnisse, und das Alter der Zelle den finalen Wirkungsgrad.

Typische Wirkungsgrade von Solarzellen:

Art der Solarzelle

Wirkungsgrad

Monokristalline Solarzelle

ca. 20 bis 25 Prozent

Polykristalline Solarzelle

ca. 15 bis 20 Prozent

Dünnschicht Solarzelle

ca. 10 bis 12 Prozent

CIGS Solarzelle

ca. 12 bis 14 Prozent

Was kostet eine Solarzelle?

Die Preise für Solarzellen variieren deutlich je nach Technologie. Mit fortschreitender Effizienzsteigerung in der Produktion sind die Kosten jedoch gesunken. Im Schnitt erhalten Sie Solarmodule in einer Preisspanne von 200 bis 400 Euro, was einen Preis von etwa 3 bis 6 Euro pro einzelner Solarzelle entspricht.

Beachten Sie, dass Solarzellen in der Regel nicht einzeln verkauft werden, sondern eingebunden in das Modul.

Wie werden Solarzellen hergestellt?

Der Prozess beginnt mit der Gewinnung von Quarzsand, der fast reines Siliziumdioxid (SiO2) enthält. Das Siliziumdioxid wird durch verschiedene chemische Prozesse gereinigt und in metallurgisches Silizium umgewandelt. Dieses Silizium wird anschließend durch das sog. Siemens-Verfahren oder ähnliche Methoden weiter gereinigt, um ein hochreines polykristallines Silizium zu erhalten.

  • Herstellung von monokristallinen und polykristallinen Solarzellen:
    Das gereinigte Silizium wird geschmolzen und anschließend langsam abgekühlt. Für monokristalline Solarzellen wird das Czochralski-Verfahren verwendet, bei dem ein einzelner Siliziumkristall aus der Schmelze gezogen wird. Polykristallines Silizium entsteht, indem das Silizium in Formen gegossen und langsam abgekühlt wird, wodurch viele kleine Kristalle entstehen.

    Die Siliziumblöcke werden dann in dünne Scheiben gesägt und gereinigt, bekannt als Wafer. Um ein elektrisches Feld innerhalb des Wafers zu erzeugen, wird das Silizium dotiert. Dabei werden bestimmte chemische Elemente (z. B. Bor oder Phosphor) hinzugefügt, um entweder eine p- oder n-Schicht zu erzeugen. Anschließend werden metallische Kontakte auf die Ober- und Unterseite der Wafer aufgebracht, um den elektrischen Strom abzuleiten.

  • Herstellung Dünnschicht-Solarzellen:
    Im Gegensatz dazu durchlaufen Dünnschicht Solarzellen einen anderen Herstellungsprozess, bei dem photovoltaische Materialien direkt auf ein Trägersubstrat aufgesprüht oder gedampft werden, was zu dünneren, flexibleren Modulen führt.

  • Herstellung organischer Solarzellen:
    Mittels Druckverfahren wie dem Rolle-zu-Rolle-Druck oder dem Aufdampfen in Vakuum werden eine oder mehrere Schichten organischer photovoltaischer Materialien auf ein Substrat aufgetragen. Diese Materialien bilden die organischen Solarzellen, die Licht absorbieren und in elektrische Energie umwandeln. Abschließend werden obere Elektroden aufgebracht, um die Solarzelle zu vervollständigen und den elektrischen Strom abzuleiten.

Welche Einsatzbereiche gibt es für Solarzellen?

  • Solaranlage auf Wohngebäuden und Gewerbeimmobilien für die (privat genutzte) Stromerzeugung
  • Solarparks und Solarfarmen zur Einspeisung ins öffentliche Netz
  • Kleine Solarzellen in Taschenrechnern, Uhren und tragbaren Ladegeräten
  • Solarzellen auf Fahrzeugdächern, wie Autos, Bussen und Zügen zur Stromversorgung
  • Solarzellen in der Raumfahrt für die Versorgung von Satelliten, Raumsonden und Raumstationen
  • Solarzellen als Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) in Bauelementen wie Fenster, Fassaden und Dächern, um ästhetische und funktionale Aspekte mit Energieerzeugung zu verbinden.
  • Solargeneratoren und Solarbatterieladegeräte für die Notstromversorgung in Notfällen oder abgelegenen Standorten ohne Zugang zum Stromnetz
  • Solarstrom in Landwirtschaft für den Betrieb von Bewässerungssystemen und Pumpen in (teils abgelegenen) landwirtschaftlichen Gebieten
  • Kleine Solarmodule für Straßenbeleuchtungen, Verkehrsschildern und Warnsignalen zur unabhängigen Stromversorgung
  • Solarstrom in der Telekommunikation für die Versorgung von Fernmeldeanlagen, insbesondere in entlegenen oder schwer zugänglichen Gebieten.

Welches Licht benötigt eine Solarzelle?

Solarzellen benötigen Licht, um elektrische Energie zu erzeugen, wobei sie am effektivsten mit Sonnenlicht arbeiten, das ein breites Spektrum von Wellenlängen umfasst, einschließlich sichtbarem Licht, ultravioletter und infraroter Strahlung. Obwohl sie am produktivsten unter direkter Sonneneinstrahlung sind, können Solarzellen auch bei bewölktem Wetter oder im indirekten Licht Energie erzeugen, allerdings mit verringerter Effizienz. Künstliches Licht kann ebenfalls genutzt werden, ist jedoch im Vergleich zur Sonnenenergie hinsichtlich der Energieausbeute weit weniger effizient.

Seit wann gibt es Solarzellen?

Die erste praktische Solarzelle wurde 1954 von den Wissenschaftlern Calvin Fuller, Gerald Pearson und Daryl Chapin bei den Bell Laboratories entwickelt. Damit markiert das Jahr 1954 den Beginn der modernen Photovoltaik-Ära, obwohl der erste technische Einsatz von Photovoltaikelementen erst vier Jahre später erfolgte, 1958 mit dem Satellit Vanguard1.

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Häufig gestellte Fragen

Was bedeutet n-Dotierung bei Solarzellen?

Die n-Dotierung bei Solarzellen fügt Halbleitermaterialien zusätzliche Elektronen durch Dotierung mit bestimmten Atomen hinzu, um eine negativ geladene Schicht zu erzeugen, die essentiell für die Stromerzeugung in der Zelle ist.

Was bedeutet p-Dotierung bei Solarzellen?

Die p-Dotierung bei Solarzellen beinhaltet das Hinzufügen von Atomen mit weniger Valenzelektronen als das Basishalbleitermaterial (meist Silizium), wodurch eine positiv geladene Schicht entsteht, die Löcher (positive Ladungsträger) bereitstellt. Diese Schicht ist zusammen mit der n-dotierten Schicht für die Erzeugung eines elektrischen Feldes im p-n-Übergang entscheidend, das die Trennung von Ladungsträgern und die Stromproduktion ermöglicht.

Was sind Ingots?

Ingots sind große, reine Metallblöcke, die durch das Schmelzen und Erstarrenlassen des Metalls in speziell geformten Formen hergestellt werden. Sie dienen als Rohmaterial für die weitere Verarbeitung in verschiedenen Industrien, einschließlich der Halbleiterherstellung, wo sie in dünne Scheiben geschnitten werden, um Wafer für die Produktion von Solarzellen und Mikrochips zu bilden.

Was sind Wafer?

Wafer sind dünne Scheiben aus Halbleitermaterial, wie Silizium, die durch das Zerschneiden von Ingots gewonnen werden. Sie dienen als Grundlage für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen (Mikrochips) und Solarzellen, indem sie in verschiedenen mikroelektronischen Fabrikationsprozessen bearbeitet und beschichtet werden.

Wie lange hält eine Solarzelle?

Die Lebensdauer einer Solarzelle beträgt üblicherweise 25 bis 30 Jahre, wobei sie im Laufe der Zeit an Effizienz verlieren kann, typischerweise etwa 0,5 bis 1 Prozent pro Jahr. Viele Solarzellen übertreffen jedoch ihre erwartete Lebensdauer und bleiben auch nach Jahrzehnten noch funktionsfähig, wenn auch mit verringerter Energieausbeute.

Was ist der Photoelektrische Effekt?

Der photoelektrische Effekt ist ein physikalisches Phänomen, bei dem Elektronen aus einem Material freigesetzt werden, wenn dieses Material Licht oder eine andere Form elektromagnetischer Strahlung absorbiert. Dieser Effekt, der grundlegend für die Funktionsweise von Solarzellen ist, ermöglicht die Umwandlung von Lichtenergie direkt in elektrische Energie.