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Grundlagen

Die Solarzelle - Funktion, Wirkungsgrad & Lebensdauer

Solarzellen erzeugen aus der Energie des Sonnenlichts Strom. Doch wie funktioniert eine Solarzelle und was für Typen von Solarzellen gibt es. Wir haben alle wichtigen Infos über Solarzellen zusammengestellt.
Solarzellen

Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle wandelt die Strahlungsenergie der Sonne (Sonnenlicht) in elektrische Energie um. Sie ist somit ein elektrisches Bauelement. Die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom mithilfe von Solarzellen ist auch als Photovoltaik bekannt. 

Achtung: Solarzellen werden häufig mit Solarkollektoren verwechselt, die bei der Solarthermie zum Einsatz kommen und statt der Sonnenstrahlung die thermische Sonnenenergie zur Wärmeversorgung nutzen.

Einsatzbereiche von Solarzellen

Solarzellen werden nicht nur als Photovoltaikmodule zur Stromerzeugung auf dem Hausdach eingesetzt, sondern kommen in vielen Bereichen zum Einsatz. Hier einige typische Beispiele:

  • Taschenrechner: Die meisten heute erhältlichen Taschenrechner sind solarbetrieben. und müssen nicht mehr aufgeladen werden.
  • Armbanduhren: Schon früh kamen Solarzellen in Armbanduhren zum Einsatz und machten den lästigen Batteriewechsel überflüssig.
  • Parkscheinautomaten: Auch bei Parkscheinautomaten sind Solarzellen von Vorteil. So können sie unkompliziert und ohne Anschluss zum Stromnetz aufgestellt werden. 
  • Einsatz im Weltraum: Alle Satelliten sind mit Solarzellen ausgestattet. Gleiches gilt für Raumsonden oder Raumkapseln, die durch Solarzellen auch fernab der Erde über Elektrizität verfügen.
  • Photovoltaikmodule für Dach- oder Freiflächen: Klassischerweise werden Solarzellen zu einem Photovoltaikmodul verbunden, dass für die Stromerzeugung auf dem privaten Einfamilienhaus oder aber auch für große Photovoltaikanlagen auf Büro- oder Freiflächen eingesetzt wird.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

In einer Solarzelle wird ein Halbleitermaterial eingesetzt, da Halbleiter bei Energiezufuhr über eine verbesserte Leitfähigkeit verfügen. Bei Lichteinfall, erhöht sich somit die Leitfähigkeit der Zelle, Elektronen bewegen sich und es entsteht Strom. 95% der Solarzellen nutzen den Halbleiter Silizium, denn Silizium steht als zweithäufigstes Element der Erde in ausreichender Menge zur Verfügung.

Doch wie funktioniert die Stromerzeugung in einer Solarzelle im Detail?

Exkurs Atommodell

Jedes Material besteht aus einzelnen Atomen. So besteht auch ein Siliziumblock aus einzelnen Atomen. Ein Atom wiederum hat einen positiv geladenen Kern und eine Außenhülle in der eine bestimmte Anzahl an negativ geladener Teilchen, die sogenannten Elektronen, gebunden sind. Silizium etwa hat vier Elektronen in seiner Außenhülle. 

Aufbau einer Solarzelle ohne Lichteinfall

In der oberen Schicht einer Solarzelle befinden sich Siliziumatome mit vier Außenelektronen, die mit Phosphoratomen verbunden sind. Phosphoratome haben im Gegensatz zum Silizium jedoch 5 Außenelektronen. Verbinden sie sich mit dem Silizium, haben sie ein überschüssiges Außenelektron (n-Dotierung). In der unteren Schicht einer Solarzelle hingegen befinden sich Siliziumatome die mit Boratomen verbunden sind (p-Dotierung). Boratome haben nur 3 Elektronen in Ihrer Außenhülle und somit Platz für ein weiteres Atom. 


Die überschüssige Elektronen aus der Silizium-Phosphor-Schicht können sich daher mit den Boratomen verbinden und es bildet sich eine Schicht aus Boratomen mit vier Elektronen auf der Außenhülle (Grenzschicht). Da die obere Siliziumschicht negative Elektronen abgegeben hat, ist sie zunächst positiv geladen. Die untere Schicht hingegen hat Elektronen aufgenommen und ist negativ geladen.

Solarzelle bei Lichteinfall:

Photoelektrischer Effekt Photovoltaikodul

Trifft nun Licht auf die Solarzelle, werden die überschüssigen Elektronen in den Boratomen angeregt und aus dem Boratom ausgestoßen. Da sich positive und negative Ladungen anziehen, wandern die negativ geladenen Elektronen anschließend zur positiv geladenen oberen Schicht der Solarzelle. Hierdurch entsteht im unteren Teil des Solarmoduls wieder ein Elektronenmangel und eine positive Ladung.

Solarzellen verfügen oben und unten über eine metallische Leiterbahn, über die die Elektronen dann wieder zum unteren diesmal positiv geladenen Bereich der Solarzelle (Rückseitenkontakt) geleitet werden. Der so über die Leiterbahnen erzeugte Stromfluss ist Gleichstrom, der über Kabel abtransportiert und weiterverwendet werden kann.

Quelle: simpleclub

Die Erfindung der Solarzelle

Der erste Schritt zur Erfindung der Solarzelle wurde im Jahr 1839 gemacht. Damals arbeitete der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel an einer Elektrolytlösung, als er entdeckte, dass bei Lichteinfall auf die Metalle kleine elektrische Ströme erzeugt wurden. Obwohl man noch keine Erklärung für den Effekt hatte, war der Grundstein für die weitere Forschung gelegt. 1873 fand man schließlich heraus, dass Selen bei Belichtung seinen elektrischen Widerstand veränderte. Dies löste weitere

Forschungstätigkeit aus. Im Jahr 1876 wurde erwiesen, dass Selen Elektrizität produziert, wenn man es Licht aussetzt. Somit war erstmals sicher, dass ein Feststoff elektrische Energie erzeugen kann ohne dass ein Umweg über Wärme oder kinetische Energie nötig ist, wie es aus Kraftwerken bekannt ist.

Der photoelektrische Effekt wurde in den folgenden Jahren von einigen Wissenschaftlern angezweifelt. Die weiteren Forschungen bewiesen jedoch die Seriosität der Entdeckung. Erste funktionierende Solarzellen wurden im Jahr 1883 entwickelt. Diese waren jedoch so uneffektiv, dass ihr Einsatz nicht lohnenswert war.

Erst in den 30er Jahren nahm die Solarzellforschung wieder Fahrt auf. 1940 fand der Halbleiterforscher Ohl bei Bell Labs heraus, dass eine Siliziumprobe mit Riss Strom erzeugte, wenn man sie dem Licht aussetzte. 1948 entstand dann das erste Konzept der heutigen Halbleiter-Photovoltaik. Die erste wirklich nutzbare Solarzelle wurde dann 1854 von Bell Labs vorgestellt und hatte einen Wirkungsgrad von 6%. Seither hat sich die Solarzellentechnik stetig weiterentwickelt. Heutige Wirkungsgrade liegen bei etwa 20% und auch die Herstellkosten sind durch die Massenproduktion deutlich gesunken.

Typen von Solarzellen

Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium. Hierbei wird nochmals zwischen mono- und polykristallinen Zellen unterschieden. Monokristalline Solarzellen bestehen aus reinem Silizium, wohingegen polykristalline Zellen sich aus vielen einzelnen Siliziumkristallen zusammensetzen und daher eine uneinheitliche Struktur hat. 

Außerdem gibt es noch Dünnschichtsolarzellen, die aus amorphem Silizium bestehen und bei denen Silizium in einer hauchdünnen Schicht auf ein Trägermaterial aufgedampft wird. Weitere Solarzellentypen, wie Konzentratorsolarzellen, Mehrfachsolarzellen oder organische Solarzellen, werden nur selten genutzt.

Herstellung einer Solarzelle

Solarzellen werden heutzutage in großen Fabriken produziert. Die Herstellung von monokristallinen Solarzellen unterscheidet sich hierbei von der Herstellung polykristalliner Solarzellen. 

Monokristalline Solarzellen bestehen aus reinem Silizium, das im ersten Schritt der Produktion aus Quarzsand oder Quarzkies gewonnen wird. Im nächsten Schritt wird das Silizium in Stabform aus der Schmelze gezogen und in dünne Scheiben, die sogenannten Wader, zerteilt. Schließlich wird die Oberfläche der Solarzelle leicht modifiziert und die elektrischen Kontakte und die Reflexschicht werden aufgetragen.

Polykristalline Solarzellen werden hingegen aus einem Siliziumblock gegossen. Dieser wird abgekühlt und es bilden sich Kristalle unterschiedlicher Struktur und Größe. Auch dieser Block wird in Scheiben geteilt. Hierbei ist jede Scheibe eine Solarzelle. 

Von der Solarzelle zur Photovoltaikanlage

Eine Solarzelle wird in der Regel nicht einzeln installiert, sondern zusammen mit weiteren Solarzellen zu einem sogenannten Photovoltaikmodul verschaltet. Meist besteht ein Photovoltaikmodul aus 60 einzelnen Solarzellen, es sind aber auch Photovoltaikmodule mit 72 Zellen erhältlich. Halbzellenmodule haben sogar 120 Zellen, da hier die Zellen nach der Produktion in zwei Hälften geschnitten werden. Eine Photovoltaikanlage schließlich ist ein Verbund aus Photovoltaikmodulen, die elektrisch verbunden sind und an einem Standort gemeinsam Strom erzeugen. 

Kosten einer Solarzelle 2020

Fragt man nach den Kosten für Photovoltaikmodule, werden meist die Produktionskosten für 1 Watt Photovoltaikleistung angegeben. Diese liegen aktuell zwischen 0,25 und 0,35€ pro Watt. Möchte man sich jedoch eine private Photovoltaikanlage auf dem Einfamilienhaus installieren, fallen neben den reinen Produktionskosten noch Transport, Planungs- und Installationskosten an. Hier kostet ein Watt Photovoltaik daher 0,40-0,80€. Ein günstiges Photovoltaikmodul mit 300 Watt und 60 Solarzellen für den privaten Gebrauch, ist für etwa 120€ erhältlich. Das ergibt Kosten von etwa 2€ für eine in einem Photovoltaikmodul verbaute Solarzelle mit 5 Watt Leistung. 

Die Zukunft der Solarzelle

Es ist zu erwarten, dass die Wirkungsgrade von Solarzellen weiter ansteigen werden und somit auch der Preis pro Watt Photovoltaikleistung weiter sinken wird. Im Labor konnten Solarzellen so bereits Wirkungsgrade von 47,1% erbringen.

Insgesamt ist die Solartechnik jedoch auch bereits relativ weit entwickelt und radikale Preisstürze wie sie in den Anfangsjahren ab 2000 erreicht wurden, werden sich nicht mehr wiederholen. Photovoltaik-Interessierte brauchen also nicht mehr warten, bis die Technik günstiger wird, denn bereits heute sind Photovoltaikanlagen rentabel und erzielen Renditen von etwa 5-8%. 

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