Wie funktioniert eine Solarzelle?

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 Energie der Sonne Strom wird! 

Photovoltaikanlagen werden häufig auch als Solaranlagen bezeichnet, was der rechtlichen Terminologie entspricht, beispielsweise im EEG. Dabei ist zu beachten, dass Solaranlagen gemäß den gesetzlichen Definitionen ausschließlich Strom erzeugen. Im Gegensatz dazu werden Anlagen, die Wärme aus Sonnenenergie gewinnen, als solarthermische Anlagen bezeichnet. Der wesentliche Unterschied zwischen Solarthermie- und Photovoltaikanlage  besteht somit 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, die den kleinsten Bauteil eines Solarmoduls bilden. Diese Module werden dann zusammengeschlossen. Die Anzahl der Solarzellen hängt also auch von der Größe des Solarmoduls ab. 

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 beweglichen positiven und negativen Ladungsträger in der Zelle angeregt, sodass sie sich bewegen. Im Inneren der Zelle findet eine Wechselwirkung zwischen dem einstrahlenden Sonnenlicht und dem dotierten Halbleiter der Solarzelle statt. Hierbei werden elektrische Ladungsträger, zum Beispiel 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. 

Durch Energieumwandlung wird in der Solarzelle also die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie umgewandelt.
Bei Solarkollektoren hingegen, die bei Solarthermieanlagen zum Einsatz kommen, wird die Sonnenenergie zur Wärmeversorgung genutzt. 

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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 Defektelektronen entstehen.  

Zwischen den beiden Schichten befindet sich eine Grenzschicht, die freigesetzte Ladungsträger lediglich mittels Sonnenlicht passieren können. In diesem Kern der Solarzelle entsteht durch Bewegung der Ladungsträger 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 Fehlstellen („Löcher“) zurück. Abhängig von ihren Ladungen bewegen sich die Ladungsträger 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 zum Wechselrichter oder einem Gleichstromverbraucher. 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. Die Kontakte 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. Insbesondere in der Vergangenheit bestimmten sie maßgeblich, wie hoch die Anschaffungskosten der PV-Anlage ausfiel und wie viel Strom erzeugt werden konnte. Der Teil der Anlagenkosten, die auf die Solarmodule entfällt, ist seit Jahrzehnten rückläufig. Derzeit gibt es 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. 

PERC-Solarzellen (Passivated Emitter and Rear Cell) 

Diese Zellen bieten ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und sind weit verbreitet. Sie basieren auf monokristallinem oder polykristallinem Silizium und verfügen über eine spezielle Passivierungsschicht auf der Rückseite, die den Lichtverlust reduziert und den Wirkungsgrad steigert. Dank ihrer optimierten Lichtausbeute sind sie besonders für Standardanwendungen geeignet. PERC-Zellen sind ideal für Dachanlagen, bei denen ein solides Verhältnis von Kosten zu Leistung gefragt ist. Allerdings erreichen sie im Vergleich zu neueren Technologien wie TopCon oder HJT etwas niedrigere Wirkungsgrade. 

TOPCon-Solarzellen (Tunnel Oxide Passivated Contact) 

Diese Technologie ist eine Weiterentwicklung der PERC-Zellen und nutzt eine innovative Tunneloxidschicht sowie spezielle Kontaktschichten, um den Wirkungsgrad deutlich zu steigern. Diese Zellen erzielen höhere Wirkungsgrade, insbesondere bei hohen Temperaturen, wodurch sie eine konstante Leistung selbst unter anspruchsvollen Bedingungen gewährleisten. Zudem weisen sie eine längere Lebensdauer und eine bessere Degradationsresistenz auf. TopCon-Zellen eignen sich ideal, wenn Sie besonders hohe Leistung auf begrenztem Raum benötigen, beispielsweise bei begrenzten Dachflächen. 

HJT-Solarzellen (Heterojunction Technology) 

Diese Technologie kombiniert die Vorteile von kristallinem Silizium und Dünnschichttechnologie, indem mehrere Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften in einer Zelle vereint werden, um maximale Effizienz zu erzielen. Dabei werden amorphe Siliziumschichten auf eine monokristalline Siliziumbasis aufgebracht. Diese hybride Bauweise ermöglicht es, besonders hohe Wirkungsgrade zu erzielen und gleichzeitig Verluste durch Temperaturerhöhungen zu minimieren. HJT-Solarzellen haben den geringsten Temperaturkoeffizienten unter den gängigen Technologien, was sie besonders effizient in heißen Klimazonen macht. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch eine hohe Bifazialität und Langlebigkeit aus. Allerdings sind sie im Vergleich zu PERC und TopCon deutlich teurer und erfordern in der Herstellung spezialisierte Prozesse, was ihre Verbreitung bislang limitiert. 

Neben den Zelltechnologien spielt auch der Aufbau der Module eine Rolle. Hier unterscheidet man vor allem zwei Arten: 

• Glas/Folie-Module: Diese Module bestehen aus einer Frontseite aus Glas und einer Rückseite aus Kunststofffolie. Die Solarzellen sind zwischen diesen beiden Schichten eingebettet und durch eine laminierte Schicht geschützt. Der Aufbau macht diese Module leichter und günstiger in der Herstellung. Sie sind jedoch weniger robust und haben eine kürzere Lebensdauer, stellten jedoch bis 2024 den weit verbreiteten Standard bei Dachanlagen im Residential-Bereich dar.
• Glas-Glas-(Doppel-Glas)Module: Diese Module sind auf beiden Seiten von einer Glasschicht umgeben, in die die Solarzellen eingebettet sind. Dieser Aufbau macht sie robuster und langlebiger, da die Zellen besser gegen Feuchtigkeit und mechanische Belastungen geschützt sind. Ein großer Vorteil von Glas-Glas-Modulen ist, dass sie oft bifazial ausgelegt sind. Das bedeutet, dass die Rückseite der Module ebenfalls Licht aufnehmen und in Energie umwandeln kann, beispielsweise reflektiertes Licht von der Dachoberfläche oder dem Boden, was die Energieausbeute erhöht. Glas-Glas-Module sind weniger anfällig für Alterung und bieten eine konstante Leistung über viele Jahre hinweg, was sie ideal für anspruchsvolle Wetterbedingungen macht. 

Die Wahl der richtigen Solarzelle hängt von Ihrem Budget, Ihrem verfügbaren Platz und Ihren individuellen Anforderungen ab. Lassen Sie sich bei der Auswahl von Fachleuten beraten, um die beste Lösung für Ihre PV-Anlage zu finden. 

Wirkungsgrad der Solarzellen

Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung eine Solarzelle in nutzbaren Strom umwandeln kann. Er gibt also über die Effizienz der Solarzellen Auskunft. Je höher der Wirkungsgrad ist, desto mehr Solarstrom können Sie selbst produzieren. 
Die Angabe zum Wirkungsgrad finden Sie in der Regel im Datenblatt des Herstellers. Wie hoch oder niedrig er ausfällt, hängt vor allem mit den verwendeten Materialien und dem gewählten Herstellungsverfahren zusammen. 

Worauf sollte man beim Wirkungsgrad noch achten?

Der Wirkungsgrad der einzelnen Solarzellen ist ein guter Startpunkt, um die verschiedenen Modelle miteinander zu vergleichen. Zusätzlich sollte man jedoch auch den Gesamtwirkungsgrad der Photovoltaikanlage beachten, der sich vom Wirkungsgrad der einzelnen Module unterscheidet. 

Beeinflusst wird der Gesamtwirkungsgrad durch verschiedene Faktoren, zum Beispiel den Wechselrichter, die Farbe der Module, die richtige Auslegung der Anlage und der Temperatur, in der Module und Wechselrichter betrieben werden.

Ausrichtung: Die ertragsoptimale Ausrichtung der Module liegt in Mitteleuropa nach Süden, da so der maximale Jahresertrag erzielt wird. Allerdings führt eine ausschließliche Südausrichtung dazu, dass insbesondere in der Mittagszeit und im Sommer deutlich mehr Ertrag erzeugt wird, als in der Regel lokal verbraucht werden kann. Eine Ausrichtung nach Westen und Osten ermöglicht es hingegen, in den Randzeiten des Tages – morgens und abends – mehr Leistung bereitzustellen. Auch flachere Dächer können wirtschaftlich genutzt werden, selbst bei einer (teilweisen) Nordausrichtung, insbesondere in Kombination mit Dachflächen in anderen Himmelsrichtungen. Diese Ausrichtung erlaubt es, solare Erträge vom Sommer in die Übergangszeiten und den Winter zu übertragen. Für solche Installationen sollten Module mit guten Schwachlichteigenschaften bevorzugt werden, da sie besser geeignet sind, diffuses Licht einzufangen, das bei kürzeren Phasen direkter Sonneneinstrahlung entscheidend ist. 

Modulneigung: Die Modulneigung spielt eine entscheidende Rolle für den Ertrag. In Mitteleuropa gilt ein Winkel von etwa 30–35 Grad bei nach Süden ausgerichteten Anlagen als optimal, um über das Jahr hinweg den maximalen Ertrag zu erzielen. Flachere Winkel können im Sommer gut funktionieren, sind aber weniger effektiv im Winter. Steilere Neigungen eignen sich besonders für schneereiche Gebiete, da Schnee schneller abrutscht.

Verschattung: Berücksichtigen Sie auch Schattenwerfer wie Bäume, Schornsteine oder andere Häuser bei der Planung Ihrer PV-Anlage. Je weniger Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft, desto geringer ist die Leistung. 

Temperatur: Der Wirkungsgrad der Solarmodule hängt stark von der Temperatur ab. Mit steigender Temperatur nimmt der Wirkungsgrad ab, da die elektrischen Eigenschaften des Halbleitermaterials beeinträchtigt werden. Besonders effizient arbeiten Solarmodule bei kühlem Wetter und intensiver Sonneneinstrahlung, wie an einem sonnigen Märztag. An solchen Tagen bleibt die Modultemperatur niedrig, während die Sonneneinstrahlung optimal genutzt wird. Bei direkter Sonneneinstrahlung und hohen Außenlufttemperaturen kann die Temperatur der einzelnen Solarmodule auf bis zu 85 Grad ansteigen. 

Wartung: Solarmodule sind in der Regel wartungsfrei und benötigen in den meisten Einbausituationen keine spezielle Reinigung. Der natürliche Regen reicht in den meisten Fällen aus, um Staub und Schmutz zu entfernen. Eine Reinigung kann jedoch erforderlich werden, wenn die Module in Bereichen mit starker Verschmutzung installiert sind oder wenn die Neigung der Module so gering ist, dass Wasser und Schmutz nicht gut abfließen können. 

Standort: Die Sonneneinstrahlung in Deutschland variiert je nach Standort. Solaranlagen im Süden liefern i.d.R. mehr Energie als vergleichbare Anlagen im Norden Deutschlands.  

Alter der Anlage: Grundsätzlich nehmen Leistung und Wirkungsgrad der Solarzellen natürlich über die Jahre ab – das ist ganz normal. Nach 20 Jahren sollten aber mindestens noch 85 Prozent der angegebenen Leistung garantiert sein. Auch dann lohnt sich die Solaranlage noch. 

Lebensdauer der Solarzellen

In Fachkreisen wird die Lebensdauer von Solarzellen auf etwa 25 – 30 Jahre geschätzt. Die am häufigsten eingesetzten kristallinen Solarmodule haben schätzungsweise eine etwas höhere Lebensdauer von über 30 Jahren, während ein Dünnschicht Modul auf etwa 20 – 25 Jahre kommt. 

Bei organischen Modulen wie Kunststoffsolarzellen gibt es noch nicht genug Berichte zur Lebensdauer; da sie noch relativ neu am Markt sind. Sie wird jedoch noch kürzer als die Lebensdauer herkömmlicher Solarzellen geschätzt.  

Grundsätzlich sind diese Zahlen nur Schätzungen und häufig übersteigt die reale Lebensdauer der Module die Erwartungen. Auch die Degradation, der Leistungsabfall von Solarzellen, fällt meistens geringer aus, als erwartet. Je nach Wetterbedingungen, Qualität des Materials und wie häufig die Anlage gewartet und gereinigt wird, kann die Lebensdauer länger oder kürzer ausfallen.

Neue Entwicklungen

Relativ neu ist die Entwicklung organische statt kristalline 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 günstiger und leicht zu produzieren sind und in vielen Formvarianten 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. 

Aber es gibt noch weitere Neuerungen: Neben organischen Solarzellen haben Perowskit-Solarzellen in den letzten Jahren für Aufsehen gesorgt. Auch sie bieten hohe Potenziale hinsichtlich Wirkungsgrad und Kosten.
Um die Kosten von Solarzellen weiter zu senken, werden kontinuierlich neue und effizientere Herstellungsprozesse entwickelt. Denn die Integration von Solarzellen in Gebäudehüllen wird immer wichtiger. Nicht nur flexible Module, auch transparente Solarzellen, die man in Fenstern einsetzen kann, werden zurzeit entwickelt.

Auch die Kopplung von Solarzellen mit Energiespeichern gewinnt immer mehr an Bedeutung. So kann die intermittierende Stromerzeugung aus Solarzellen kompensiert werden. 

Außerdem wird aktuell an Solarautos geforscht, also Autos mit integrierten Solarzellen, deren Antrieb allein mit Sonnenenergie arbeitet. In diesem Bereich gibt es aktuell jedoch nur wenige Hersteller, denn das Vorhaben scheitert vor allem am geringen Wirkungsgrad der Solarzellen. 

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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 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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