Die Solarzelle: Funktion, Aufbau und Wirkungsgrad einfach erklärt

Solarzellen sind die wichtigsten Elemente einer Photovoltaikanlage, da erst durch ihre Funktionsweise die Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie überhaupt möglich wird. Doch wie eine solche Solarzelle funktioniert, aus welchen Materialien sie besteht und wo die Unterschiede zwischen den verschiedenen Systemen liegen, wissen die wenigsten. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Solarzellen hergestellt werden, wie sie funktionieren und welche Entwicklungen am Markt zu verzeichnen sind.

Was ist überhaupt eine Solarzelle?

Eine Solarzelle wandelt Sonnenlicht in Strom um. Da eine einzelne Solarzelle allerdings nur sehr wenig Leistung erzeugt, werden die Solarzellen miteinander verbunden. Durch diese Kopplung erhöht sich die Leistung. Sind viele Solarzellen zusammengeschaltet, entsteht ein Solarmodul. In der Regel enthalten Solarmodule 4 mal 9 Solarzellen, sodass ein Solarmodul im Durchschnitt 36 oder 72 Solarzellen beinhaltet. Diese Werte können allerdings von Hersteller zu Hersteller und von Modul zu Modul variieren.

So funktionieren Solarzellen

Solarzellen wandeln die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Dabei kann sowohl die direkte Sonneneinstrahlung, als auch das diffuse Sonnenlicht genutzt werden, um elektrischen Strom zu erzeugen.

Das versteht man unter dem Photoeffekt

Der Photoeffekt wird in drei Prozesse unterteilt. Einfach erklärt trifft die Lichtenergie auf die Solarzelle. Dort löst sich ein Elektron aus seiner Bindung, indem ein Photon der Lichtenergie absorbiert wird. Wurde ein Photon mit der passenden Energie absorbiert, fließt durch den Halbleiter Strom, sobald ein Elektron in leitenden Zustand übergeht. Silizium ist hierbei besonders gut als Halbleiter geeignet, da das Material eine elektrische Leitfähigkeit besitzt, welche zwischen Leiter und Nichtleiter liegt. Daher wird eine Solarzelle aus Silizium als Halbleiter bezeichnet.

Die Herstellung von Solarzellen

Bei der Herstellung von Solarzellen kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Für polykristalline Solarzellen wird hierfür das erhitzte, flüssige Silizium in eine Quaderform gegossen und nach Abkühlen werden daraus die Wafer gesägt. 

Monokristalline Zellen hingegen gewinnt man nach dem Czochralski-Verfahren. Hier wird das flüssige Silizium zu einem Zylinder mit etwa 30 cm Durchmesser gedreht. Aus diesem „Ingot” werden nach Erkalten, ebenso wie im oben geschilderten Prozess, die sogenannten Wafer gesägt, die dann letztlich die Solarzellen darstellen.

Dann gibt es noch die String-Ribbon Technologie, ein patentiertes Verfahren, bei dem im Vergleich zu der regulären Herstellung bis zu 50 Prozent Silizium eingespart werden können. Hierzu werden Drähte durch geschmolzenes Silizium gezogen. Zwischen diesen Drähten bildet sich ein Band aus flüssigem Silizium, das nach Abkühlen zu den gewünschten Wafern verarbeitet wird.

Verschiedene Varianten der Solarzelle

Solarzellen werden nach ihrem Aufbau und entsprechend ihrer Funktionsweise unterschieden.

Dickschicht Solarzellen

Dickschicht Solarzellen werden in monokristalline und polykristalline Solarzellen unterteilt. Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzelnen, großen Silizium-Kristall, sodass weniger Stromverluste an den Grenzflächen auftreten können. Somit erhöht sich der Wirkungsgrad dieser Solarzellen deutlich. Allerdings sind diese deutlich aufwendiger in der Herstellung, was zu höheren Produktionskosten führt. Monokristalline Solarzellen sind somit die teuerste Variante auf dem Markt. Ebenfalls zu den Dickschicht Solarzellen zählen die polykristallinen Solarzellen. Diese setzen sich aus mehreren kleinen Siliziumkristallen zusammen. Der Vorteil: Die Herstellungskosten liegen deutlich niedriger. Der Nachteil: An den Grenzflächen der Kristalle kommt es zu einem Energieverlust, was den Wirkungsgrad der Solarzellen senkt. Daher erkauft man sich den niedrigeren Preis der Solarzellen durch den geringeren Wirkungsgrad.

Dünnschicht Solarzellen

Wird das Silizium zu einer Masse geschmolzen und anschließend auf einen Träger aufgedampft, so spricht man von den Dünnschichtmodulen. Diese sind besonders leicht und dünn und können aufgrund der geringen Materialmenge sehr günstig hergestellt werden. Allerdings weisen diese Module einen deutlich geringeren Wirkungsgrad auf. Was aber durch die niedrigeren Kosten ausgeglichen werden kann, vorausgesetzt, Sie haben ausreichend Fläche, die Sie mit einer größeren Menge an Modulen belegen können.

Aktuelle Wirkungsgrade auf dem Markt

Die verschiedenen Solarzellen auf dem Markt unterscheiden sich nicht nur in ihrem Aufbau, sondern auch in ihrem Wirkungsgrad. Die höchste Effizienz weisen hierbei die monokristallinen Solarzellen auf. Diese Siliziumzellen kommen auf einen Wirkungsgrad von bis zu 19 Prozent. Die polykristallinen Siliziumzellen hingegen erreichen einen Wirkungsgrad von maximal 15 Prozent. Bei aus amorphem Silizium bestehenden Dünnschichtzellen erreichen aktuell sogar nur Werte von ungefähr 7 Prozent. Wichtig dabei: Diese Angaben sind Wirkungsgrade aus dem normalen Alltag. Unter Laborbedingungen haben die Entwickler der verschiedenen Solarzellen bereits deutlich höhere Wirkungsgrade erzielen können.

Welche Einflussfaktoren gibt es?

Die Idealwerte in Bezug auf den Wirkungsgrad können von PV-Modulen in der Regel nicht über die gesamte Lebensdauer der Anlage erreicht werden. Dies liegt an verschiedenen Einflussfaktoren. Die Globalstrahlung kann nicht beeinflusst werden, genauso wenig wie die altersbedingte Leistungsabnahme. Aber es gibt einige bedingt beeinflussbare Faktoren, welche den Wirkungsgrad der Solarzelle senken und somit den Stromertrag mindern. Dazu zählen:

  • Der Einbauort und die Ausrichtung der Module
  • Die eventuell vorhandene Dunstglocke
  • Verschattung oder Teil-Verschattungen
  • Die Temperatur der Solarmodule
  • Die Verschmutzung der Solarmodule

Neue Entwicklungen auf dem Markt der Solarzellen

Aktuell werden für Solarzellen ausschließlich kristalline Halbleiter verwendet. Allerdings ist die Forschung mittlerweile dazu übergegangen, auch organische Halbleiter zu entwickeln und diese zu nutzen. Organisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Halbleiter auf Kohlenstoffmolekülen basieren. Der große Vorteil dieser Entwicklung ist der einfachere und deutlich günstigere Produktionsprozess dieser Halbleiter. So können diese in praktisch allen gewünschten Formen hergestellt werden. Auch die Grätzelzelle, die auf Farbstoff basiert, könnte eine gute Alternative darstellen. Allerdings ist der Wirkungsgrad dieser Technologien noch viel zu gering ist, um die Technik heute schon zum Einsatz zu bringen. Steigt der Wirkungsgrad jedoch weiter an, könnten neue Technologien zu enormen Veränderungen führen.

Fazit: Der Wirkungsgrad allein ist kein Entscheidungsfaktor

Aktuell ist kaum abzusehen, wie sich die Situation auf dem Solarzellen-Markt entwickeln wird. Zwar werden unter Laborbedingungen mittlerweile sehr hohe Wirkungsgrade erzielt, doch der Aufwand in der Produktion macht diese Neuentwicklungen wirtschaftlich noch nicht sehr attraktiv. Es ist dementsprechend im Moment noch nicht zielführend, diese Technologien zu nutzen, vor allem für Privatpersonen, wenn es keinen unmittelbaren Vorteil dadurch gibt.

Desweiteren sind die Möglichkeiten, die sich durch organische Halbleiter in diesem Bereich ergeben, sehr vielversprechend. Es wird sogar schon daran geforscht, Solarzellen druckbar zu machen. Gelingt dies erst einmal mit einem guten und stabilen Wirkungsgrad, werden die Kosten für die durchschnittlichen Solarzellen deutlich sinken. Bis zu diesem Zeitpunkt dauert es allerdings noch eine ganze Weile, sodass sich aktuell der Kauf einer leistungsstarken, gut geplanten Photovoltaikanlage noch immer lohnt und sich vor allem auch rentiert.

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