Die Solarzelle: Funktion, Aufbau und Wirkungsgrad einfach erklärt

Solarzellen sind die wichtigsten Komponenten einer Photovoltaikanlage: Erst durch sie wird die Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie überhaupt möglich. Doch wie eine solche Solarzelle funktioniert, aus welchen Materialien sie besteht und wo die Unterschiede zwischen den verschiedenen Arten liegen, wissen die Wenigsten. Das wollen wir ändern und haben daher das Wichtigste zum Thema zusammengefasst.



Was ist überhaupt eine Solarzelle?

Eine Solarzelle wandelt Sonnenlicht in Strom um. Da eine einzelne Solarzelle nur wenig Leistung erzeugt, werden die Solarzellen miteinander verbunden. Sind viele Solarzellen zusammengeschaltet, entsteht ein Solarpanel. In der Regel enthalten Solarmodule 36 bis 72 Solarzellen. Die genaue Menge variiert von Hersteller zu Hersteller und von Modul zu Modul.

Da Solarzellen ausschließlich Gleichstrom produzieren, der Netzstandard jedoch Wechselstrom ist, muss der erzeugte Solarstrom vor der Nutzung in Wechselstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt ein Wechselrichter. Solarzellen sind damit ein wichtiger, aber nicht der einzige nötige Bestandteil von Photovoltaikanlagen.

So funktionieren Solarzellen

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

Konkret nutzen Solarzellen den sogenannten photovoltaischen Effekt, der ausschließlich Halbleitern wie Silizium vorenthalten ist. Ein Halbleiter ist ein Festkörper, der eine elektrische Leitfähigkeit besitzt, welche zwischen Leitern und Nichtleitern liegt.

Voraussetzung für den photovoltaischen Effekt ist, dass die Solarzelle aus zwei unterschiedlich geladenen Halbleiterschichten besteht. Bei Silizium wird dies mit Hilfe einer sogenannten Dotierung erreicht. Trifft nun Lichtenergie in Form von Photonen auf die Solarzelle, werden Elektronen freigesetzt. Durch das elektrische Feld, das zwischen den beiden unterschiedlich geladenen Siliziumschichten entsteht, werden die gelösten Elektronen zum Metallkontakt auf der Zelle geleitet: Der Strom fließt.

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. Nach dem Abkühlen werden daraus Scheiben, sogenannte 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 % 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. 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. Sie haben jedoch auch das beste Preis-Leistungs-Verhältnis.

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 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. Daher benötigt diese Modulart mehr Fläche, um dieselbe Menge an Strom zu produzieren.

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. Sie kommen auf einen Wirkungsgrad von bis zu 19 %.

  • Die polykristallinen Siliziumzellen hingegen erreichen einen Wirkungsgrad von maximal 15 %.

  • Die aus amorphem Silizium bestehenden Dünnschichtzellen erreichen aktuell sogar nur Werte von ungefähr 7 %.

Wichtig dabei: Diese Angaben sind Wirkungsgrade aus dem normalen Alltag. Unter Laborbedingungen haben die Entwickler*innen der verschiedenen Solarzellen bereits deutlich höhere Wirkungsgrade erzielen können.

Welche Einflussfaktoren gibt es?

Die Idealwerte in Bezug auf den Wirkungsgrad können von Solarpanelen 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. Andere Faktoren, welche den Wirkungsgrad der Solarzelle senken, sind – zumindest teilweise – steuerbar. 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: Monokristalline Solarzellen sind der Standard

Das beste Preis-Leistungs-Verhältnis haben monokristalline Solarzellen: Sie sind zwar etwas teurer in der Anschaffung, dafür produzieren sie während ihrer Lebensdauer deutlich mehr Strom. Sie haben daher mit Abstand den größten Marktanteil und sind für Eigenheimbesitzende die erste Wahl.


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