Der Aufbau und die Funktion der Solarzelle sind im elementarphysikalischen Bereich begründet. Sie müssen allerdings kein*e Physiker*in sein, um das Wirkprinzip zu verstehen. Wir versuchen Ihnen verständlich mithilfe einer bildlichen Darstellung des Aufbaus einer Zelle zu erklären, was sich darin abspielt und wie letztendlich aus der Sonne Strom wird!
Photovoltaikanlagen werden häufig auch als Solaranlagen bezeichnet, was allerdings eine eher unspezifische Bezeichnung ist. Denn zur Gruppe der Solaranlagen zählen sowohl Photovoltaik- als auch Solarthermieanlagen. Beide Anlagearten fangen die Energie der Sonne auf. Der Unterschied zwischen Solarthermie- und Photovoltaikanlage liegt hauptsächlich darin, ob die Sonnenenergie in Strom oder Wärme umgewandelt wird.
Was ist eine Solarzelle?
Photovoltaik beschreibt das direkte Umwandeln von Sonnenstrahlung, sog. Photonen, in Strom. Für das Umwandeln sind die Solarzellen verantwortlich, welche den kleinsten Bauteil einer Anlage bilden. Die meisten gängigen Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Quarzsand). Eine Eigenschaft von Halbleitern ist, dass sie durch die Zufuhr von Energie eine verbesserte Leitfähigkeit besitzen – bei Photovoltaik ist diese Energiezufuhr Licht.
Wie lässt sich die Funktionsweise einer Solarzelle einfach erklären?
Die Solarzelle funktioniert relativ einfach: Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden die Elektronen in der Zelle angeregt, sodass sie sich bewegen. Im Inneren der Zelle findet eine Wechselwirkung zwischen dem einstrahlendem Sonnenlicht und dem dotierten Halbleiter der Solarzelle statt. Hierbei werden elektrische Ladungsträger, sog. Elektronen, freigesetzt. Dadurch fließt Strom, der durch Metallkontakte an beiden Seiten der Zelle abgeführt wird. Der dadurch erzeugte Strom wird über ein Stromkabel dann weiter ins Haus transportiert.
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Wer hat die Solarzelle erfunden?
Der französische Wissenschaftler Alexandre Edmond Becquerel fand im 19. Jahrhundert heraus, dass Batterien unter Sonnenlicht langlebiger sind und mehr Leistung produzieren. Im Jahr 1893 wurde auf Basis seiner Forschungen dann die erste Solarzelle gebaut, die Elektrizität mithilfe der Sonne erzeugte.
Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?
Der Aufbau einer Silizium-Solarzelle besteht aus drei Schichten. Den Hauptbestandteil bilden zwei unterschiedlich dotierte Siliziumschichten:
- n-dotierte Schicht: In dieser Schicht ist etwas Phosphor eingemischt, wodurch diese negativ wird (freie Elektronen)
- p-dotierte Schicht: In dieser Schicht ist etwas Bor eingemischt, wodurch diese positiv wird (fehlende Elektronen)
Zwischen den beiden Schichten befindet sich eine Grenzschicht, die freigesetzte Ladungen lediglich mittels Sonnenlicht passieren können. In diesem Kern der Solarzelle entsteht durch Elektronenbewegungen ein elektrisches Feld, das auch p-n-Übergang genannt wird.
Was passiert in der Solarzelle?
Die Sonnenstrahlen enthalten mikroskopisch kleine Energieträger, sog. Photonen, die auf die Oberfläche der Zelle treffen. Der eingesetzte Halbleiter Silizium reagiert auf die Strahlen der Sonne, indem Elektronen losgelöst werden. An diesen Stellen bleiben positiv geladene Löcher zurück. Abhängig von ihren Ladungen bewegen sich die Elektronen zur negativen oder positiven Elektrode. Während die Elektronen zur Oberseite des Siliziums wandern, bewegen sich die Löcher zur Unterseite. Die Ladungen fließen nach oben durch die leitenden Metallschichten ab und gelangen so zu den Verbraucher*innen, wo die Energie benötigt wird, wie z.B. Glühbirne, PC oder Stromnetz. Anschließend wird der Stromkreislauf dadurch geschlossen, dass die Elektronen zurück zur Schicht mit den fehlenden Elektronen wandern.
Um den gewonnenen Strom nutzen zu können, ist es notwendig auf der Vorder- und Rückseite metallische Kontakte aufzubringen und über ein Kabel miteinander zu verbinden. Auf der Rückseite wird hierzu eine ganzheitliche Kontaktschicht aufgebracht. Diese leiten die Elektronen ab und bringen sie über ein Kabel zum Fließen, wodurch ein elektrischer Stromkreis entsteht. Auf der Vorderseite hingegen werden die Kontakte in Form eines dünnen Gitters aufgebracht, sodass das Licht auf die Oberfläche fallen kann.
Welche Arten von Solarzellen gibt es?
Solarzellen zählen zu den wichtigsten Bestandteilen einer Photovoltaikanlage. Sie bestimmen maßgeblich, wie hoch die Anschaffungskosten der PV-Anlage ausfallen und wie viel Strom erzeugt werden kann. Derzeit gibt es drei verschiedene Arten von Solarzellen, die für Privatanwender*innen interessant sind. Jede Art hat verschiedene Eigenschaften sowie Vor- bzw. Nachteile – hier müssen Sie sich entscheiden, welche zu Ihnen und Ihren Anforderungen am besten passen.
1.) Monokristalline Solarzelle
Diese Solarzellen-Art besteht aus einkristallinem Silizium. Bei der Herstellung werden einkristalline Stäbe aus flüssigem Silizium gezogen und anschließend in dünne Stäbe zersägt, die auch „Wafer“ genannt werden. Im Vergleich zu polykristallinen Zellen hat dieser Zelltyp einen sehr hohen Siliziumanteil und ist damit mit einem Wirkungsgrad von ca. 20 Prozent die effektivste Solarzelle bei direkter Sonneneinstrahlung. Aufgrund der aufwendigen Herstellung sind monokristalline Module allerdings vergleichsweise teuer.
2.) Polykristalline Solarzelle
Dieser Zelltyp wird, genauso wie monokristalline Zellen aus Silizium hergestellt, wobei das Silizium hierbei nicht so rein ist. Es wird zuerst ein Siliziumblock gegossen, der anschließend abgekühlt wird, sodass das flüssige Silizium fest wird. Dadurch entstehen Kristallstrukturen von unterschiedlicher Größe. Davon werden dünne Scheiben abgetrennt – jede Scheibe ist eine polykristalline Solarzelle.
Die Modul-Herstellung ist weniger aufwendig und es entstehen aufgrund der quadratischen Form der Zelle nur geringe Abfälle. Aus diesem Grund sind polykristalline Zellen preiswerter und auch für die Umweltbilanz der Photovoltaikanlage besser, da nicht so viel Energie für die Herstellung benötigt wird. Deshalb gelten diese Solarzellen oft als diejenigen mit dem besten Preis-Leistungs-Verhältnis. Allerdings ist der Wirkungsgrad mit rund 15 Prozent geringer, da weniger reines Silizium verwendet wird.
3.) Dünnschichtzellen
Diese Art zählt zu den amorphen, also nichtkristallinen Solarzellen. Die Dünnschichtzellen werden ebenfalls aus Silizium hergestellt, das mit anderen Materialien vermischt wird und in einer sehr dünnen Schicht auf ein Trägermaterial, wie z.B. Glas aufgedampft wird. Der Wirkungsgrad beträgt lediglich fünf bis sieben Prozent und muss deshalb durch eine größere Modulfläche kompensiert werden. Die Zellen sind, abhängig vom Trägermaterial, sehr flexibel und lassen sich sogar rollen und falten. Dadurch lässt sich prinzipiell jede beliebige Form verwirklichen. Der Produktionsprozess ist verhältnismäßig unkompliziert, wodurch sich große Mengen im industriellen Maßstab anfertigen lassen. Dadurch sind diese Zellen günstiger als kristalline Zellen (Dickschichtzellen).
Neue Entwicklungen
Relativ neu ist die Entwicklung anstelle von kristallinen, organische Halbleiter zu verwenden. Hierbei handelt es sich um Dünnschichtmodule, die aus organischen Kunststoffen hergestellt werden. Der Begriff „Organisch“ besagt, dass die Moleküle lediglich Kohlenstoff enthalten. Der Vorteil liegt darin, dass sie billig und leicht zu verarbeiten sind und in jeder beliebigen Form hergestellt werden können. Der Wirkungsgrad einer organischen Solarzelle ist noch gering, kann aber durch weitere Forschung in Bezug auf das Material weiterhin verbessert werden. Die Nachteile, die der geringe Wirkungsgrad mit sich bringt, können dadurch ausgeglichen werden, dass die nutzbare Fläche deutlich größer ist als für kristalline Solarzellen. Denn sie können problemlos an jede Wand, jedes Fenster, jedes Dach oder auch an jeden Sonnenschirm geklebt werden.
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Was kostet eine Solarzelle?
Die Kosten für eine Solarzelle hängen immer von der gewählten Art und der Fläche ab. Für welche Art der Solarzellen und damit auch Photovoltaikanlage Sie sich auch entscheiden, die Anschaffung ist immer mit einer Investition verbunden. Dabei können Sie jedoch von verschiedenen Förderprogrammen wie einer Einspeisevergütung oder einem günstigen Kredit über die KfW-Bank profitieren.
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