aus 0 Bewertungen | zuletzt aktualisiert am: 24.04.2019

Die Solarzelle - wenn aus Sonnenstrahlen Strom wird

Photovoltaikanlagen haben sich als Ergänzung zu Holzfeuerungsanlagen oder anderen Feuerstätten im Energiemix bewährt. Grundlage für die Energiegewinnung durch Sonnenkraft ist die Solarzelle. Wie die Umwandlung von Sonnenstrahlung in Strom oder Wärmeenergie funktioniert, erfahren Sie hier.

Eine Solarzelle kann Sonnenenergie in elektrischen Strom umwandeln. Sonnenstrahlen selbst bestehen aus vielen kleinen Energieträgern, den sogenannten „Photonen“. Diese enthalten negativ geladene Elektronen. In einer Solarzelle befindet sich ein Halbleiter, meist aus Silizium.

Trifft nun ein Sonnenstrahl auf einen Leiter, werden die Elektronen des Photons freigesetzt. Die negativ geladenen Elektronen wandern zu den Leiterbahnen, da diese positiv geladen sind.

Dabei wird jedoch mit einer speziellen Schicht verhindert, dass sich negativ und positiv geladene Elemente anziehen. Die Elektronen werden so umgeleitet und geben dabei ihre Energie ab. Bei dieser Energie handelt es sich um Strom, der für verschiedene Zwecke genutzt werden kann.

Das wichtigste Element in heute produzierten Solarzellen ist Silizium. Dieses Material wird für alle drei Schichten verwendet, aus welcher eine Solarzelle besteht.

Die Key Facts im Überblick:

  • Eine Solarzelle besteht aus drei Schichten, die Silizium enthalten. Um die negativen und positiven Elemente zu stärken, wird die obere Schicht der Solarzelle mit Phosphoratomen bestückt, die untere mit Boratomen.
  • Sobald die Sonnenstrahlen auf die Solarzelle treffen, beginnen die Borelemente zu wandern. Dies geschieht deshalb, weil die äußere Schale des Boratoms ein sogenanntes „Elektronenloch“ hat, das positiv geladen ist.
  • Durch die Grenzschicht werden nun die negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Elektronen separiert. Dadurch entsteht Spannung, vergleichbar mit einem Akku.
  • Damit der Strom schließlich fließen kann, befinden sich an der Ober- bzw. Unterseite der Solarzelle kleine Silber- oder Aluminium-Platten. Sie werden durch dünne Kabel miteinander verbunden.

Solarzellen mit Silizium haben den Vorteil, dass schon sehr wenig Sonnenlicht ausreicht, um Strom zu erzeugen. Je länger und intensiver die Sonne scheint, desto mehr Strom wird durch das Spiel aus Pol und Gegenpol in der Solarzelle generiert.

Damit Solarzellen ausreichend Strom produzieren können, werden sie zu sogenannten „Solarmodulen“ gebündelt. Für den Betrieb eines Smartphones würde man zum Beispiel zwei oder drei Dutzend Solarzellen benötigen. Eine Photovoltaikanlage, die mit Hilfe von Sonnenenergie Strom und Warmwasser erzeugt, besteht aus bis zu 100 Solarmodulen.

Grundsätzlich gilt: Je reiner das in den Solarzellen verwendete Silizium ist, desto mehr Energie kann eine Solarzelle und entsprechend das Solarmodul produzieren. Bis dato ist es noch nicht möglich 100 Prozent reine Siliziumkristalle herzustellen oder zu fördern.

Daher ist mit den derzeit verwendeten Halbleitern keine entsprechende Steigerung der Wirkungsgrade möglich. Allerdings wird versucht, mit unterschiedlichen Zusammensetzungen die Energieausbeute zu erhöhen.

Neben der Reinheit spielt auch die Größe der Siliziumkristalle eine Rolle, wie gut die erzeugte Energie in Strom umgewandelt werden kann. So sind es vor allem die Grenzbereiche zwischen den einzelnen Kristallen, die zu Stromverlusten führen können.

Technisch wird deshalb versucht, die Größe der Kristalle zu erhöhen, um die Verluste zu minimieren und die Wirkungsgrade der Solarzellen zu steigern.

Je größer die Kristalle in den sogenannten „monokristallinen“ Solarzellen mit sehr reinem Silizium werden, desto mehr Energie wird für deren Produktion benötigt. Und desto teurer werden diese sehr leistungsstarken Solarmodule auch.

Aus diesem Grund haben Forscher weitere Möglichkeiten gefunden, um die Kosten und den Energieaufwand für die Produktion zu senken:

  • Dünnschichtsolarzellen: Bei dieser Variante wird das Silizium zu einer kristallinen Masse geschmolzen. Das Material wird anschließend auf die Solarzelle gedampft. Bis dato erzielen diese Solarzellen nur geringe Wirkungsgrade. Allerdings sind sie sehr kostengünstig und leicht.
  • Solarzellen mit „organischen“ Halbleitern: Für die Herstellung dieser Solarmodule wird Kohlenstoff zum Silizium hinzugefügt. Dadurch sinken die Materialkosten deutlich. Außerdem besteht damit die Möglichkeit, Solarzellen in fast jeder gewünschten Form zu produzieren. Ein Ziel ist es, zum Beispiel hauchdünne Solarfolien zu entwickeln, die auf jede beliebige Oberfläche geklebt werden und Strom erzeugen können. Aktuell können diese Solarzellen Sonnenenergie noch nicht besonders effizient in Strom verwandeln. Allerdings wird stetig weiter geforscht, u.a. auch, ob diese speziellen Solarzellen auch in zwei oder mehreren Schichten die Stromerzeugung erhöhen können.

Laut dem aktuellen Stand der Forschung und Entwicklung liefern monokristalline Solarzellen heute einen Wirkungsgrad von bis zu knapp 20 Prozent. Ist das Silizium nicht so rein und werden polykristalline Solarzellen eingesetzt, sinkt der Wirkungsgrad auf ca. 15 Prozent. Mit Dünnschichtzellen werden Wirkungsgrade von rund sieben Prozent erzielt.

Die Produktion von Solarzellen hängt von deren Typ ab. So unterscheidet sich die Herstellung kristalliner Photovoltaik-Anlagen zum Beispiel vom Bau polykristalliner Solarzellen.

  • Herstellung kristalliner Solarzellen

Um das Silizium zu erhalten, wird sehr viel Quarzsand benötigt. Anschließend wird das Silizium eingeschmolzen, danach gereinigt und je nach Verwendungszweck angereichert. Die Anreicherung wird auch als „Dotierung“ bezeichnet. Nach dem Einschmelzen wird das Silizium zu sogenannten „Ingots“ gegossen.

Dabei handelt es sich um kleine Barren. Die Ingots werden danach in kleine Mikrometer dünne Scheiben gesägt, in sogenannte „Wafer“. Aus diesen dünnen Schichten entsteht schließlich eine Solarzelle.

Die einzelnen Solarzellen wiederum werden zu Solarmodulen zusammengefasst und mit kleinen Alu- oder Silberplatten miteinander verbunden. Mehrere Solarmodule ergeben schließlich ein Solarpanel oder ein Photovoltaikmodul.

Diese Module werden schließlich mit sogenannten Wechselrichtern und Stromzählern sowie Netzeinspeisegeräten verkabelt. Das Photovoltaiksystem kann auf dem Dach montiert und mit dem Heimnetz und dem örtlichen Stromnetz verbunden werden.

  • Herstellung polykristalliner Ingots

Werden polykristalline Ingots produziert, wird dafür auch Silizium geschmolzen. Allerdings werden danach verschiedene Verfahren für die Herstellung der Barren angewandt.

Beim sogenannten „Blockguss-Verfahren“ wird das Silizium in einem Tiegel flüssig gemacht und in einem zweiten Tiegel Stück für Stück unter kontrollierten Bedingungen heruntergekühlt.

Beim Bridgman-Verfahren wird der Schmelzvorgang kontrolliert durchgeführt und das Silizium wird in Schichten unter Hitze geschmolzen und danach wieder abgekühlt. Auf diese Weise entstehen viele dünne Silizium-Schichten mit sehr großen Kristallen. Das Ergebnis sind höhere Wirkungsgrade der Solarmodule.

Schließlich steht mit dem Czochralski-Verfahren noch eine dritte Produktionsmethode für Solarmodule bereit. Dabei wird das Silizium ebenfalls geschmolzen, allerdings bei Temperaturen, die knapp über dem Schmelzpunkt liegen. Auf diese Weise bleibt das Silizium sehr zäh und dehnbar.

Durch Dreh- und Hebebewegungen kann das Silizium in extrem feinen Schichten auskühlen. Wichtig ist das Einsetzen eines kristallinen „Impfkeims“, der dazu führt, dass das Material monokristallin wird. Diese Methode bringt leistungsstarke Solarmodule hervor. Die Herstellung ist jedoch mit sehr hohen Kosten verbunden.

  • Herstellung von Dünnschicht-Solarmodulen

Zunächst wird hier auch Silizium aus Quarzsand gewonnen. Danach wird das Material geschmolzen und „aufgedampft“. Die sehr feinen Schichten können auf Folien oder anderen Oberflächen aufgetragen werden. Anschließend werden diese Folien zu Solarmodulen und Photovoltaik-Systemen zusammengefasst.

Mit Solarzellen lässt sich auf sehr einfache Weise Strom aus Sonnenenergie gewinnen. Allerdings ist die Produktion der Solarzellen immer noch mit hohem Energieaufwand verbunden. Die Solarmodule selbst weisen im Vergleich zu anderen Formen der Energiegewinnung noch geringe Wirkungsgrade auf.

Allerdings wird Solarenergie stetig weiterentwickelt, sodass eine Photovoltaik-Anlage schon heute eine sinnvolle Ergänzung zur bestehenden Heizungsanlage oder Feuerstätte sein kann.

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