Solarzelle – Funktion, Aufbau & Wirkungsgrad einfach erklärt!

Sie sorgen dafür, dass aus Licht Strom wird: Solarzellen. Erfahre hier alles über Aufbau, Funktion und Nachhaltigkeit.

Das Wichtigste in Kürze

Solarzellen bestehen meist aus Halbleitern, vor allem Silizium.

Es gibt verschiedene Varianten, darunter Dickschicht- und Dünnschichtzellen.

Moderne Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von 20 % und mehr.

Dank neuer Entwicklungen steigen die Wirkungsgrade von Solarzellen immer weiter.

Der Stromfluss entsteht am p-n-Übergang der Zellen.

Solaranlagen gehören zu den saubersten Quellen für Strom.

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Was ist ein Solarpanel?

Das Solarpanel ist auch als Solarmodul oder Solarplatte bekannt. Es handelt sich um einen komplexen Aufbau verschiedener Bauteile. Solarpanele gibt es millionenfach in Deutschland – sie sind der sichtbare Teil der Photovoltaikanlage auf dem Dach.  Dies sind die typischen Bestandteile eines Solarpanels:

  • Rahmen: sorgt für Stabilität und hält die Einzelteile zusammen
  • Abdeckung aus Glas oder Kunststoff: schützt die darunterliegenden Teile
  • Schutzschicht: liegt meist über und unter den Solarzellen
  • Solarzellen: verwandeln Sonnenlicht in elektrischen Strom
  • Kunststofffolie oder Glasscheibe: bieten extra Schutz von unten
  • Anschlussdose: dient dem Anschluss von Kabeln zum Abzapfen des Stroms
Foto: Halfpoint/stock.adobe.com

Was ist eine Solarzelle?

Die Solarzelle ist das zentrale elektronische Bauteil eines Solarpanels. Im Mittel sind es 60 Zellen pro Panel, viel kleinere und deutlich größere Ausführungen gibt es aber auch. Das Besondere an der Solarzelle: Sie ist photoelektrisch aktiv. Das heißt: In der Solarzelle wird Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie umgewandelt. Ganz ohne Emissionen und Abfälle entsteht aus Sonneneinstrahlung Strom.

Solche Solarzellen sind häufig aus Halbleitern aufgebaut, in der Regel aus Silizium. So ist es auch bei den Photovoltaikmodulen für das Dach. Sie basieren entweder auf monokristallinen oder polykristallinen Solarzellen. Mehr dazu erfährst Du im Kapitel zu den Solarzellen-Varianten.

Geschichte von Solarzellen

Das erste Solarkraftwerk Deutschlands ging 1983 in Betrieb. Damit war es auch international eines der ersten, aber nicht das allererste. Das entstand 1977 in Frankreich. Photovoltaikanlagen auf Hausdächern folgten in größerer Menge ab den 1990er Jahren. Also ist die Photovoltaik eine moderne Technologie? Ja und nein.

Die Erkenntnis, dass Licht zu Strom werden kann, geht auf das Jahr 1839 zurück. Damals machte der Physiker Alexandre Edmond Becquerel eine bahnbrechende Entdeckung, die den Weg für die heutige PV-Technologie frei machte: Bei einem Experiment stellte der Franzose fest, dass bei Licht etwas mehr Strom floss als im Dunkeln. Das Phänomen, später als photoelektrischer Effekt bekannt, wurde erst im Jahre 1905 von Albert Einstein erklärt. 1921 erhielt er dafür den Nobelpreis für Physik

Die theoretischen Grundlagen für Solarzellen sind also schon seit einiger Zeit bekannt. Die erste Silizium-Solarzelle wurde jedoch erst 1954 von den Bell Laboratories – so nannte sich die Forschungsabteilung des Telefonanbieters AT&T – vorgestellt. Ihr Wirkungsgrad betrug gerade einmal 4%. Zum Vergleich: Eine moderne monokristalline Solarzelle erreicht 20 – 22% Wirkungsgrad.

Gut zu wissen

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, welcher Anteil der eingestrahlten Lichtenergie in elektrischen Strom gewandelt wird.

Die Weiterentwicklung der Solarzellen wurde von der Raumfahrtindustrie vorangetrieben. Im All gibt es nämlich keine Steckdosen – um elektrische Geräte von Sonden, Satelliten und Co. zu versorgen, braucht es also eine unabhängige Stromquelle. Dafür eignen sich Solarzellen ideal.

Doch nicht nur am Himmel leistete die Technik treue Dienste, auch unten auf der Erde gewann die Solarzelle an Popularität. Noch bevor sie zu einer tragenden Säule der Energiewende wurde, kam sie häufig für kleine elektronische Geräte zum Einsatz – sehr bekannt ist sicher der Taschenrechner mit Solarzellen.

Steigende Wirkungsgrade machten es möglich, auch im großen Maßstab Strom aus Sonnenlicht zu produzieren. Im Jahr 2022 gab es allein in Deutschland 2,2 Millionen Solaranlagen.

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Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?

Eine Solarzelle besteht aus zwei Schichten eines Halbleiters: n-dotiert und p-dotiert. Dies ist zentral für die Funktion der Zelle – mehr dazu liest Du im nächsten Kapitel. Außerdem befinden sich Kontakte an den Schichten, wo der Strom abgegriffen wird. Je nach Bauform enthalten Solarzellen außerdem ein Trägermaterial.

Solarzelle im Detail: Durch die Verbindung von zwei Arten von Silizium kann der photovoltaische Effekt seine Wirkung entfalten.
Solarzelle im Detail: Durch die Verbindung von zwei Arten von Silizium kann der photovoltaische Effekt seine Wirkung entfalten. Quelle: DW.com.

Wie funktionieren Solarzellen?

Wie bereits erwähnt, fand der französische Phsyiker Becquerel 1839 heraus, dass sich die Spannung von elektrolytischen Zellen unter Lichteinstrahlung verändert: Der photoelektrische Effekt. Konkret passiert dabei Folgendes: Werden bestimmte feste Materialien mit kurzwelligem Licht (zum Beispiel UV-Licht) bestrahlt, werden die enthaltenen Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben und dadurch freigesetzt. Der Energiezuwachs entsteht dadurch, dass die Elektronen Energie aus Photonen, den Lichtteilchen, aufnehmen.

Beim äußeren photoelektrischen Effekt ist der Energiezuwachs so groß, dass die Elektronen den Festkörper verlassen. Beim inneren photoelektrischen Effekt werden die Elektronen zwar angeregt, verbleiben in ihrem aktivierten Zustand aber im Material und erhöhen dadurch dessen elektrische Leitfähigkeit. Der innere photoelektrische Effekt ist besonders interessant für die Photovoltaik. Er tritt nur bei Halbleitern und Isolatoren auf. Das sind Festkörper, die eine mittlere beziehungsweise geringe Leitfähigkeit besitzen. 

Foto: anatoliy_gleb/stock.adobe.com

Solarzellen, die Basis einer jeden PV-Anlage, bestehen aus einem Halbleitermaterial. Meistens ist dies Silizium; es gibt aber noch andere Halbleiter, wie zum Beispiel Germanium. Die Zellen machen sich einen Spezialfall des inneren Photoeffekts zunutze: Den photovoltaischen Effekt.

Um den photovoltaischen Effekt zu verstehen, schauen wir uns den Energiezuwachs der Elektronen durch Licht noch einmal genauer an. In diesem Zusammenhang ist das „Bändermodell“ von Bedeutung. Mit diesem Modell wird die elektrische Leitfähigkeit von Leitern, Nichtleitern und vor allem Halbleitern erklärt.

Es unterscheidet zwischen dem sogenannten Leitungsband und dem Valenzband. Wie der Name schon sagt, können sich Elektronen im Leitungsband frei bewegen, während sie im Valenzband als sogenannte Valenzelektronen Bindungen – „Valenzen“ – eingehen (können). Nur, wenn eines der Bänder teilweise mit Elektronen besetzt ist, kann Strom fließen.

Bei Halbleitern klafft eine Lücke zwischen Valenz- und Leitungsband: Die Leitfähigkeit ist begrenzt. Mithilfe von Licht überwinden Elektronen diese Kluft und werden nutzbar für die Stromerzeugung.
Bei Halbleitern klafft eine Lücke zwischen Valenz- und Leitungsband: Die Leitfähigkeit ist begrenzt. Mithilfe von Licht überwinden Elektronen diese Kluft und werden nutzbar für die Stromerzeugung. Quelle: Alexander Gorfer (quant.uni-graz.at), CC BY-SA 4.0.

Ein Siliziumatom hat vier Valenzelektronen, die sich mit denen ihrer jeweils benachbarten Atome verbinden, wodurch Silizium seine typische gitterartige Kristallstruktur erhält.

Wie bei allen Halbleitern ist auch bei Silizium das Valenzband am theoretischen Ausgangspunkt von 0 Kelvin beziehungsweise -273,15 °C – dem absoluten Nullpunkt – vollständig belegt und das Leitungsband leer. Dazwischen klafft die sogenannte Bandlücke. In diesem Zustand kann keine Ladung transportiert werden: Wie bei einem Stau auf der Autobahn bewegt sich auf dem Valenzband nichts. Überwunden werden kann die Kluft zwischen den beiden Bändern nur durch ausreichend Energiezufuhr, entweder durch Wärme oder elektromagnetische Strahlung.

Hier kommt das Sonnenlicht ins Spiel:  Durch die Sonneneinstrahlung werden Elektronen freigesetzt und auf das Leitungsband „angehoben“, auf dem sie freie Fahrt haben. Dabei hinterlässt jedes Elektron eine Elektronenfehlstelle, auch bezeichnet als Loch, im Valenzband. In der Theorie entspricht dieses Loch einem positiv geladenen Ladungsträger, also dem Gegenstück des negativ geladenen Elektrons: Ein Elektronen-Loch-Paar ist entstanden.

Dieser Zustand mit dem freigewordenen, energieträchtigen Elektron ist allerdings nicht sehr stabil: Die Elektronen streben danach, schnellstmöglich wieder ein Loch zu füllen, wodurch sie – zurück im Valenzband – erneut gebunden wären und damit unbrauchbar für die Stromerzeugung.

Hier siehst Du die typische Gitterstruktur von Silizium. Wird es mit Fremdatomen wie Phosphor oder Bor bestückt, nennt man das Dotierung: Die Phosphoratome (lila) haben ein Elektron zu viel → negative Ladung (n-dotiert); die Boratome haben eines zu wenig → positive Ladung (p-dotiert).
Hier siehst Du die typische Gitterstruktur von Silizium. Wird es mit Fremdatomen wie Phosphor oder Bor bestückt, nennt man das Dotierung: Die Phosphoratome (lila) haben ein Elektron zu viel → negative Ladung (n-dotiert); die Boratome haben eines zu wenig → positive Ladung (p-dotiert). Quelle: Wikipedia User Cepheiden, CC BY-SA 3.0.

Solarzellen lösen dieses Problem, indem sie ein elektrisches Feld kreieren. Dieses verhindert die Rekombination, also die neutralisierende Vereinigung der Elektronen und Löcher.

Das Ganze funktioniert wie folgt: Die Zellen bestehen aus zwei aufeinanderliegenden Siliziumschichten – eine obere, negativ-dotierte Schicht (n-dotiert) und eine untere, positiv-dotierte (p-dotiert). Dotiert heißt, dass die negative Ladung in der oberen und die positive Ladung in der unteren Schicht künstlich herbeigeführt wurden, indem bei der Herstellung Fremdatome wie zum Beispiel Phosphor oder Bor in das Silizium eingebracht wurden.

Ein Phosphoratom hat ein Elektron mehr als Silizium, sodass ein Elektron übrig bleibt, wenn das Phosphor in die Gitterstruktur des Siliziums integriert wird. So entsteht ein Elektronenüberschuss, also negative Ladung. Umgekehrt ist es bei Boratomen: Hier „fehlt“ ein Elektron, sodass im Silizium-Kristallgitter ein Loch übrig bleibt. Es herrscht also ein Überangebot an Löchern und damit positive Ladung.

Entscheidend ist, dass die überschüssigen Elektronen der n-dotierten Schicht und die überzähligen Löcher der p-dotierten Schicht nur locker gebunden sind. Dadurch benötigen sie bloß ein wenig thermische Energie, um in Bewegung zu geraten. In der Folge können sie ohne Probleme ihrer Natur folgen, ganz nach dem Motto „Gegensätze ziehen sich an“:

In einer Solarzelle wandern Elektronen (-) in die positiv-dotierte Siliziumschicht und Löcher (+) in die negativ-dotierte. Dabei hinterlassen sie fixierte positive und negative Ladungen am p-n-Übergang: Ein elektrisches Feld entsteht. Es schickt alle durch Licht aktivierten Elektronen zum Kontakt auf der Zelle, wo sie als Strom abgezapft werden können.
In einer Solarzelle wandern Elektronen (-) in die positiv-dotierte Siliziumschicht und Löcher (+) in die negativ-dotierte. Dabei hinterlassen sie fixierte positive und negative Ladungen am p-n-Übergang: Ein elektrisches Feld entsteht. Es schickt alle durch Licht aktivierten Elektronen zum Kontakt auf der Zelle, wo sie als Strom abgezapft werden können. Quelle: Wikipedia User Inductiveload; Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald: Elektronische Bauelemente.

Die beweglichen Elektronen der Phosphoratome wandern aus der n-Schicht in die p-Schicht und verbinden sich dort neutralisierend mit freien Löchern. Die Phosphoratome in der n-Schicht verlieren also jeweils ein Elektron; zurück bleiben positive „Atomrümpfe“. Diese sind immer noch starr im Kristallgitter gebunden und die positive Ladung damit ortsfest, wie es im Fachjargon heißt.

Andersherum bewegen sich die Löcher der Boratome aus der p-Schicht auf die n-Seite und rekombinieren dort mit freien Elektronen. Übrig bleiben negative ortsfeste Ladungen in der p-Schicht.

Diese natürliche Ausgleichsbewegung von Teilchen zur Beiseitigung von Konzentrationsunterschieden nennt man Diffusion. Insgesamt gibt es dadurch allmählich immer weniger freie Ladungsträger, während sich jeweils die ortsfesten negativen auf der einen und die ortsfesten positiven Ladungen auf der anderen Seite vermehren. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld, das die verbleibenden beweglichen Teilchen in die entgegengesetzte Richtung der Diffusionsbewegung schickt. Diese Bewegung wird auch Drift genannt.

Schließlich heben sich die beiden Kräfte gegenseitig auf. Am Grenzbereich zwischen den Schichten, dem sogenannten p-n-Übergang, entsteht ein Bereich ohne freie Ladungsträger beziehungsweise ausschließlich mit ortsfesten Ladungen. Dieser wird als Verarmungszone, Raumladungszone oder Sperrschicht bezeichnet.

Im Ergebnis ist die n-dotierte Siliziumschicht in der Nähe des Grenzbereichs paradoxerweise positiv geladen, während die p-dotierte Sicht negativ geladen ist. Die durch diese Raumladungen entstandene Spannung heißt Diffusionsspannung – etwas verwirrend, wirkt sie der Diffusionsbewegung doch gerade entgegen. Eine seltenere, aber verständliche Alternativbezeichnung ist daher Antidiffusionsspannung.

Der photovoltaische Effekt: Eine Silizium-Solarzelle besteht aus zwei Schichten – eine negativ geladene mit überschüssigen Phosphor-Elektronen und eine positiv geladene mit fehlenden Bor-Elektronen. Am Übergang zwischen den Schichten entsteht ein elektrisches Feld. Dieses schickt die durch Lichtteilchen aktivierten Elektronen zum Metallkontakt auf der Zelle und erzeugt so Strom. 
Der photovoltaische Effekt: Eine Silizium-Solarzelle besteht aus zwei Bereichen – eine negativ geladene Schicht mit überschüssigen Phosphor-Elektronen und eine positiv geladene Schicht mit fehlenden Bor-Elektronen. Am Übergang zwischen den Schichten entsteht ein elektrisches Feld. Dieses schickt die durch Lichtteilchen aktivierten Elektronen zum Metallkontakt auf der Zelle und erzeugt so Strom. 

Kommen wir zurück zu den durch Licht entstehenden Elektronen-Loch-Paaren, deren Rekombination es zu verhindern gilt, um Strom zu generieren: Erzeugt ein Photon in der Raumladungszone ein Elektronen-Loch-Paar, wird letzteres durch das elektrische Feld, also die Diffusionsspannung, sofort getrennt. Das Elektron wandert als Feldstrom Richtung n-Schicht (die jetzt positiv geladen ist), das Loch Richtung p-Schicht.

Um diesen Strom abzuzapfen, befinden sich auf der oberen und unter der unteren Siliziumschicht Metallkontakte in Gitterform. Über diesen äußeren Stromkreis gelangen die Elektronen zur unteren Kontaktfläche der Zelle und vereinen sich dort mit den Löchern: Der Kreis ist geschlossen und der Sonnenstrom fließt, solange durch Licht weiterhin freie Elektronen erzeugt werden.

Auf einen Blick

Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um. Sie bestehen aus zwei Schichten eines Halbleiters wie Silizium: Eine negativ, eine positiv geladen. Am Übergang der beiden Bereiche entsteht ein elektrisches Feld, welches die durch Licht aktivierten Elektronen zum Kontakt auf der Zelle schickt – der Strom fließt.

Einsatzbereiche von Solarzellen

Vom Taschenrechner bis zum Giga-Kraftwerk in den Alpen: Solarzellen werden mittlerweile für viele Anwendungen eingesetzt. Die Vielfalt der Einsatzbereiche von Solarzellen wird ermöglicht durch stetige Neuentwicklungen. Waren die Zellen früher starr und schwer, gibt es mittlerweile hauchdünne Zellen, die sogar auf einer Seifenblase aufliegen können. Der folgende Überblick zeigt, in welchen Bereichen Solarzellen unter anderem zum Einsatz kommen.

 

Solarkraftwerke: Der größte Einsatzbereich von Solarzellen ist die Produktion von Strom für private Haushalte und das öffentliche Netz. Riesige Anlagen wie in den Schweizer Alpen bringen Millionen Kilowattstunden pro Jahr. Doch auch der Erfolg vieler dezentraler Anlagen ist immens: 2022 wurden in Deutschland über 60.000Gigawattstunden Solarstrom produziert, viele davon auf privaten Hausdächern.

Raumfahrt: Nach wie vor sind Solarzellen in der Raumfahrt elementare Bauteile, um die Technik mit Strom zu versorgen. Die Internationale Raumstation ISS verfügt zum Beispiel über eine Solarzellenfläche von 4500m² – die erzeugen eine Leistung von 84 – 120kW. Zum Vergleich: Das würde reichen, um etwa 300 2-Personen-Haushalte zu versorgen.

Kleinelektronik: Solarzellen sind sehr praktisch, um kleine elektrische Geräte zu versorgen, zum Beispiel Taschenrechner und Uhren. Ihr großer Vorteil liegt darin, dass sie ohne Stecker und Batterie auskommen – oder mit einem Akku, der bei Sonnenlicht automatisch geladen wird.

Autarke Versorgung: Solarzellen spielen darüber hinaus eine wichtige Rolle, um Autarkie zu erreichen. Beliebt sind Solarpanele daher zum Beispiel auf Booten oder in Wohnmobilen. In Kombination mit einem Stromspeicher erzeugen sie genug Strom, um Kühlschrank und Co. zu betreiben.

Typen von Solarzellen

Im Laufe der Zeit haben sich verschiedene Varianten von Solarzellen etabliert. Am bekanntesten sind die Dickschichtzellen, speziell mono- und polykristalline, sowie die Dünnschichtzellen. Sie basieren auf unterschiedlichen Technologien und bringen jeweils individuelle Vorteile mit sich. Im Folgenden stellen wir Dir die verschiedenen Bauarten genauer vor.

Dickschichtzellen

Dickschicht-Solarzellen bestehen im Kern aus kristallinem Silizium. „Dick“ ist hier allerdings relativ, die Kristallscheiben (Wafer) sind etwa 250µm hoch. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 50 – 100µm. Entscheidend ist aber, dass es sich hier um starre kristalline Strukturen handelt. Die lassen sich nicht beliebig verformen, liefern dafür aber Strom mit hoher Ausbeute. Folglich sind die meisten Solarpanele auf den Dächern Dickschicht-Module. Hier gibt es wiederum die Unterscheidung zwischen monokristallinen und polykristallinen Zellen.

Monokristalline Solarzellen

Monokristallin bedeutet, dass eine Zelle aus einer dünnen Schicht eines Einkristalls besteht. Dieser Aufbau bringt einen höheren Wirkungsgrad als bei polykristallinen Solarzellen. Du erkennst entsprechende Module zum Beispiel an der schwarzen Farbe. Sie sind aktuell der Standard für heimische Photovoltaikanlagen.

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen sind aus mehreren Kristall-Bruchstücken zusammengesetzt, wodurch es zu leichten Stromverlusten kommt. Der Wirkungsgrad ist daher nicht ganz so hoch wie bei monokristallinen Zellen. Dafür sind die Solarzellen günstiger in der Herstellung.

Dünnschichtzellen

Dünnschichtzellen basieren meist auf amorphem, also nicht kristallinem Silizium. Dabei handelt es sich nicht um Einkristalle und auch keine Bruchstücke davon, sondern um aufgedampftes Material. Diese Zellen sind deutlich dünner, wodurch sie auch flexibel sind. Zudem liegt ihr Preis unter dem für Dickschichtmodule. Allerdings erreichen sie nur deutlich geringere Wirkungsgrade.

Neben amorphem Silizium werden auch andere Ausgangsmaterialien in Dünnschichtzellen verwendet. Dazu gehören Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen. Nach letzteren sind CIGS- beziehungsweise CIS-Solarzellen benannt. Diese erreichen Wirkungsgrade, die denen von polykristallinen Dickschichtzellen nahekommen. Nachteile sind, dass Indium und Gallium im Vergleich zu Silizium – das zweithäufigste Element der Erde – recht selten und damit schwer zu beschaffen sind. Zudem sind die Zellen am Ende ihrer Lebenszeit schwerer zu entsorgen, da die Materialverbindung giftig ist. Deshalb kommen die Zellen trotz der relativ hohen Wirkungsgrade meist nicht bei Aufdachanlagen zum Einsatz.

Wirkungsgrade von Solarzellen

Gerade dann, wenn die Fläche begrenzt ist, spielt der Wirkungsgrad von Solarzellen eine entscheidende Rolle. Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der Lichtenergie in Strom gewandelt wird. Die verschiedenen Zelltypen erreichen folgende Wirkungsgrade:

Bauart der SolarzelleWirkungsgrad
Monokristalline Solarzellen20 – 22 %
Polykristalline Solarzellen15 – 20 %
Dünnschicht-Solarzellen (amorphes Silizium)8 – 13 %
Zellen auf Basis von Kohlenstoff, CdTe, CIGS (haben derzeit nur geringe Bedeutung)2 – 25 %

Solarzellen im Vergleich

Monokristallin, polykristallin oder Dünnschicht? Die Wahl der richtigen Solarzelle hängt von den Anforderungen ab. Die folgende Tabelle zeigt alle drei Varianten in der Übersicht.

Monokristalline SolarzellenPolykristalline SolarzellenDünnschicht-Solarzellen
Wirkungsgrad20 – 22 %15 – 20 %10 – 13 %
Kostenhöhermittelniedrig
Aussehenschwarzblau, glänzend blau-schwarz
EinsatzgebietStandard für Privathäuser, SolarkraftwerkeDachanlagen, insbesondere großflächige SolarkraftwerkeFür große Flächen (Freiflächenanlagen), Spezialanwendungen wie gebogene Module

Solarzellen in der Entwicklung

Der Wirkungsgrad der ersten Solarzelle lag bei etwa 4%, heute sind es über 20%. Es hat sich also viel getan in der Entwicklung – und die Forschung schreitet weiter voran. Solarzellen, die aktuell in der Entwicklung sind, sollen noch höhere Wirkungsgrade realisieren, aber auch neue Einsatzmöglichkeiten erschließen.

Foto: nevodka.com/stock.adobe.com

Mehrfachsolarzellen

Mehrfachsolarzellen werden auch Tandem- oder Stapelsolarzellen genannt. Ihr prinzipieller Aufbau sieht so aus, dass mehrere Lagen verschiedener Materialien übereinander gestapelt sind. Warum das? Auf diese Weise lässt sich das Lichtspektrum viel besser ausnutzen. Während die oberen Schichten kurzwelliges Licht absorbieren, nehmen tiefere Schichten langwelliges Licht auf. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad deutlich erhöhen.

Organische Solarzellen

Organische Solarzellen basieren auf organischen Trägermaterialien – das sind Kunststoffe. Auf diese Träger sind organische Materialien mit Halbleiter-Eigenschaften in einer ganz dünnen, flexiblen Schicht aufgebracht. Organische Solarzellen haben zwei große Vorteile: ihre hohe Flexibilität und geringe Kosten. Allerdings sind die Nachteile bisher ebenfalls groß. Der Wirkungsgrad liegt unter dem für Dickschichtmodule und die Kunststoffe, die als Trägermaterial dienen, zersetzen sich mit der Zeit in der Sonne.

TOPCon-Solarzellen

TOPCon-Solarzellen (Tunnel Oxide Passivated Contact) sind ein Beispiel für eine Entwicklung aus Deutschland. Konzipiert wurden sie am Fraunhofer ISE in Freiburg. Ihre Besonderheit ist eine ultradünne Tunneloxidschicht zwischen einem n-dotiertem Siliziumkristall und einem dünnen Film aus p-dotiertem Silizium. Dieser Aufbau erreicht Wirkungsgrade von 25% und mehr.

IBC-Solarzellen

IBC steht für Interdigitated Back Contact und der Name deutet bereits darauf hin, was diese Technologie auszeichnet: Anders als bei herkömmlichen Solarzellen sind die Kontakte zur Stromabnahme rückseitig angebracht. Dadurch geht kein Licht durch Verschattung verloren und der Wirkungsgrad steigt.

HJT-Solarzellen

HJT steht für Heterojunction-Technologie. Dabei handelt es sich um eine Mehrfachsolarzelle, in der kristallines und amorphes Silizium (Dickschicht und Dünnschicht) kombiniert werden. Dadurch ist es möglich, das Spektrum des Sonnenlichts effizienter zu nutzen – höhere Wirkungsgrade sind die Folge.

Kosten einer Solarzelle

Die Kosten für eine Solarzelle hängen stark von der Technologie ab. Allgemein lässt sich sagen, dass die Produktion effizienter geworden ist, wodurch die Preise sinken. Dadurch sind Solarpanele für 200 – 400€ erhältlich. Daraus ergeben sich umgerechnet theoretische Kosten von 3 – 6 € pro Solarzelle. 

Vereinfacht lässt sich sagen, dass Du für einen höheren Preis Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad erhältst. Beachte jedoch dabei, dass Solarzellen in der Regel nicht einzeln verkauft werden, sondern eingebunden in das Modul mit oben beschriebenem Aufbau.

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Herstellung einer Solarzelle

Wie wird eine Solarzelle hergestellt? Einen entscheidenden Unterschied in der Produktion macht die Wahl des Halbleiters aus. Für monokristalline Solarzellen wird Silizium zunächst eingeschmolzen und dann gereinigt. Aus dieser Schmelze wird an einem Stab ein großer Einkristall gezogen – das ist technisch anspruchsvoll. Aus dem großen Einkristall werden dann dünne Scheiben geschnitten, die sogenannten Wafer.

Die Herstellung von polykristallinen Solarzellen ist einfacher, weil kein Einkristall nötig ist. Stattdessen wird die Schmelze in einen Tiegel überführt (Gießverfahren) oder direkt darin geschmolzen (Bridgeman-Verfahren). In diesem Tiegel kühlt die Schmelze ab, wodurch Kristalle entstehen. Aus dem großen Block werden im Anschluss Quader, sogenannte Ingots, gesägt. Aus denen entstehen abschließend die polykristallinen Wafer.

Gut zu wissen

Der Rohstoff für die meisten Solarzellen ist Silizium. Dieses wird aus Quarzsand (Siliziumdioxid) gewonnen. Damit steht der Rohstoff fast unbegrenzt zur Verfügung – Silizium ist das zweithäufigste Element auf der Erde.

Bei Dünnschichtmodulen unterscheidet sich die Herstellung der Solarzellen elementar, denn hier wird das Trägermaterial mit nicht-kristallinem (amorphem) Silizium bedampft. Der weitere Aufbau der Zellen ist relativ ähnlich.

Haltbarkeit einer Solarzelle

Solarzellen verändern mit der Zeit ihre Wirkung – dieser Effekt wird als Degradation bezeichnet. Durch die Erhitzung verlieren sie einen kleinen Teil ihres Wirkungsgrades, werden also im Lauf mehrerer Jahre „schlechter“. Hersteller gehen aktuell von einem Leistungsverlust um 0,5% pro Jahr aus – das ist insgesamt sehr wenig. Das Fraunhofer ISE schätzt den Wert mit etwa 0,15% sogar deutlich geringer ein. Im Speziellen sind monokristalline Zellen etwas stärker von Degradation betroffen, weil sie sich durch ihre schwarze Farbe stärker aufheizen – der Unterschied fällt aber minimal aus.

Neben den Halbleitern altern auch die weiteren Komponenten des Panels. Das sorgt dafür, dass Solarmodule eine mittlere Lebensdauer von etwa 30Jahren haben. Das heißt jedoch nicht, dass Du sie dann wegwerfen musst: Meistens funktionieren die Panele auch danach noch weiter, arbeiten nur mit etwas geringerer Leistung.

Wie nachhaltig sind Solarzellen?

Die Produktion von Solarzellen erfolgt unter Einsatz von Energie. Silizium herzustellen und zu schmelzen benötigt viel Wärme. Auch die weiteren Bearbeitungsschritte verbrauchen Ressourcen. Dem gegenüber steht die emissionsfreie, abfallfreie Produktion von Solarstrom.

Nun stellt sich die Frage, ob Solarzellen mehr Energie kosten oder mehr Strom liefern. Die Antwort darauf ist eindeutig: In Deutschland amortisieren sich die Zellen bereits nach etwa einem Jahr. Das macht die Photovoltaik zu einer der saubersten Technologien zur Stromproduktion. Es ist auch möglich, einen CO2-Fußabdruck zu berechnen. Je nach Modell erzeugt eine Kilowattstunde Solarstrom unter Berücksichtigung aller Produktionsschritte für die Technik nur etwa 20g CO2.

Unser Tipp

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FAQ

Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle ist das Herzstück von Solarmodulen: Hier entsteht aus Sonnenlicht Strom. Solarzellen bestehen dafür meist aus Halbleitern wie Silizium, die in einem Zwei-Schichten-Aufbau angeordnet sind. Sobald Licht auf die Solarzelle trifft, fällt über den Kontakten eine Spannung ab.

Was kostet eine Solarzelle?

Die Kosten für eine Solarzelle hängen von der Technologie ab. Monokristalline Solarzellen sind mit bis zu 0,8 € pro kWp am teuersten, dafür haben sie aber auch den höchsten Wirkungsgrad. Einzelne Solarzellen sind in der Regel nicht verkäuflich, sondern nur eingebunden in ein Solarpanel.

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