Die Solarzelle - Wenn aus Sonnenstrahlen Strom wird

Was ist eine Solarzelle?

Die Solarzelle ist ein elektrisches Bauelement, das die Strahlungsenergie von Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln kann. Dieser physikalische Vorgang namens photovoltaischer Effekt wurde zum ersten Mal 1839 von Alexandre Edmond Becquerel beobachtet. Die heute bedeutendste Anwendung ist die der Photovoltaik. Der Vorgang findet in den Solarzellen statt, die als Teil der Solarmodule im Rahmen einer Photovoltaikanlage häufig auf Hausdächern oder Freiflächen zu finden sind.

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?

Die meisten Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial. Heute ist das in 95 Prozent der Fälle Silizium, da es sich dabei um das zweithäufigste vorkommende Element nach Sauerstoff handelt und einfach zu gewinnen ist. Silizium besteht wie jedes andere Element auch aus einzelnen Atomen. Diese haben einen positiven Atomkern und eine negativ geladene Elektronenhülle.

Eine Solarzelle besteht aus zwei Siliziumschichten. Damit am Ende Strom fließen kann, werden die Schichten jeweils gezielt mit Elementen angereichert, die eine größere oder kleinere Anzahl an Außenelektronen besitzen. Das nennt man Dotierung. Silizium besitzt vier Außenelektronen. Für die Dotierung eignen sich daher besonders Phosphoratome mit fünf Außenelektronen und Boratome mit drei Außenelektronen.

• Die n-Schicht

Eine der beiden Siliziumschichten wird Phosphor beigemischt. Mit fünf Außenelektronen ist das ein Elektron mehr, als zur Verbindung mit Silizium nötig ist. Verbindet sich das Phosphor nun mit dem Silizium in einem Gitter, entsteht ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen. Aus diesem Grund spricht man von einer negativ dotierten Schicht – kurz n-Schicht.

• Die p-Schicht

Der anderen Siliziumschicht wird Bor beigemischt. Dieses enthält mit drei Außenelektronen ein Elektron weniger, als zur Verbindung mit Silizium nötig ist. Verbindet sich das Bor nun mit dem Silizium in einem Gitter, entstehen positiv geladene “Löcher”. Daher spricht man hier von einer positiv dotierten Schicht – kurz p-Schicht.

• Der p-n-Übergang

Bringt man nun die n-Schicht mit der p-Schicht zusammen, findet ein Ladungsausgleich statt. Um ein Gleichgewicht zwischen dem Elektronenmangel und dem Elektronenüberschuss herzustellen, wandern die freien negativ geladenen Elektronen der Silizium-Phosphor-Schicht in die positiv geladenen “Löcher” der Silizium-Bor-Schicht. Die neutrale Grenzschicht, auch p-n-Übergang genannt, verhindert einen weiteren Ladungsausgleich: Es entsteht ein stabiles, elektrisches Feld.

Wie kommt es zum Stromfluss in der Solarzelle?

1. Das Sonnenlicht trifft auf die Solarzelle und die Elektronen in der Grenzschicht werden angeregt, sich zu bewegen.
2. Die Elektronen lösen sich: Durch die Anziehungskraft wandern sie in die p-Schicht.
3. Die zurückbleibenden Löcher der p-Schicht wandern ihrerseits in die n-Schicht: Sie füllen sich wieder mit geladenen Elektronen.
4. Die sich bewegenden Elektronen werden abgeleitet: Über Metallkontakte (meist aus Aluminium oder Silber) fließen sie zum entgegengesetzten Pol.
5. Es fließt Strom.

Je stärker die Lichteinstrahlung, desto mehr Elektronen werden freigesetzt, die durch die Grenzschicht wandern. Das heißt: Je stärker die Sonne auf die Solarzellen scheint, desto mehr Strom entsteht. Dabei beschreibt der Wirkungsgrad einer Solarzelle, wie effizient sie Sonnenlicht in Strom umwandeln kann.

Verschiedene Arten von Solarzellen

Je nach Beschaffenheit des Halbleiters unterscheidet man verschiedene Zelltypen. Für private Hausbesitzer sind vor allem drei Varianten relevant: monokristalline und polykristalline Solarzellen, die man auch als Dickschichtsolarzellen bezeichnet, sowie Dünnschichtsolarzellen.

• Monokristalline Solarzellen

Für monokristalline Solarzellen wird reines Silizium knapp über dem Schmelzpunkt erwärmt. Danach wird dem Silizium ein sogenannter Impfkeim hinzugefügt, durch den die Kristallisation ausgelöst wird. So wird ein einzelner Siliziumkristall in Zylinderform gezogen. Dieser wird dann in hauchdünne Scheiben geschnitten, die man Wafer nennt. Die einzelnen Wafer werden dann mit Bor bzw. Phosphor dotiert.

Die Herstellungsmethode erzeugt Solarzellen mit einem hohen Wirkungsgrad von 16 bis 24 Prozent. Sie ist aber auch sehr zeitaufwendig und schlägt sich dementsprechend im Preis nieder. Monokristalline Solarzellen gehören aufgrund der Dicke der Wafer zu den Dickschichtsolarzellen.

• Polykristalline Solarzellen

Für polykristalline Solarzellen wird reines Silizium in einem quadratischen Tiegel geschmolzen. Damit unterschiedlich große Kristallstrukturen entstehen, muss das Silizium von unten nach oben abkühlen. Die Silizium-Quadrate werden dann genau wie bei der Herstellung monokristalliner Solarzellen in Wafer geschnitten und mit Bor bzw. Phosphor dotiert.

Der Wirkungsgrad der polykristallinen Solarzellen ist mit 14 bis 20 Prozent etwas geringer, dafür ist die Herstellung schneller und kostengünstiger als die der monokristallinen Zellen. Polykristalline Solarzellen gehören wie die monokristallinen Solarzellen zu den Dickschichtsolarzellen.

• Dünnschichtsolarzellen

Dünnschichtsolarzellen sind eine günstige Alternative zu den bisher weit verbreiteten Dickschichtsolarzellen. Das Schneiden der Wafer bei Dickschhichtzellen ist sehr aufwändig und muss maschinell in einem Reinstraum geschehen. Dort ist die Luft speziell gefiltert, da kleinste Partikel die Funktion beeinträchtigen können. Bei Dünnschichtzellen hingegen wird die Siliziumbeschichtung aufgedampft. Mit 1 bis 5 Mikrometern Dicke sind sie damit bedeutend dünner als kristalline Zellen mit 180 bis 250 Mikrometern.

Mit einem Wirkungsgrad von 10 bis 14 Prozent bieten sie nur in Ausnahmefällen eine echte Alternative zu Dickschichtsolarzellen. Jedoch wiegt durch die geringe Dicke das gesamte Modul nur 10 kg und ist nur halb so schwer wie ein Modul mit kristallinen Dickschichtsolarzellen. Ihr Einsatz wird häufig in Erwägung gezogen, wenn zum Beispiel die Statik eines Dachs nur ein geringes Gewicht tragen kann. Um die gleiche Menge an Strom zu produzieren, werden durch den deutlich geringeren Wirkungsgrad jedoch weit mehr Module und entsprechend mehr Fläche benötigt.

Welche Solarzellen eignen sich am besten?

Wer auf kleiner Fläche viel Strom produzieren möchte, ist mit Modulen mit monokristallinen Dickschichtsolarzellen am besten beraten. Wer etwas mehr Platz zur Verfügung hat, kann theoretisch auch auf die etwas günstigeren Module mit polykristallinen Solarzellen zurückgreifen. Dünnschichtsolarzellen bieten sich aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades nur an, sollte die Statik des Daches das Gewicht kristalliner Dickschichtmodule nicht tragen.

Fazit: Die Entscheidung zur richtigen Solarzelle sollte nicht am Preis festgemacht werden. Jeder Zelltyp hat bestimmte Vor- und Nachteile. In fast allen Fällen sind jedoch die etwas teureren Dickschichtmodule mit hochwertigen monokristallinen Solarzellen die beste Wahl.

Von der Solarzelle zur Photovoltaikanlage

Eine einzelne Solarzelle kann nicht auf einem Dach installiert werden. Für die alltägliche Stromerzeugung werden mehrere Solarzellen zu einem Modul verschaltet. In der Regel sind das 60 Zellen in einem Solarmodul.

Die neueste Technologie verwendet jedoch Halbzellenmodule, da sich durch die Halbierung der Solarzelle der Widerstand und die Stromstärke halbieren. Das hat eine deutlich geringere Verlustleistung der Halbzellen zur Folge.

Bei diesen Solarmodulen werden bis zu 120 Zellen verbaut. Eine Photovoltaikanlage ist der Verbund aus vielen verschiedenen Modulen, die zusammen an einem gemeinsamen Standort Strom erzeugen.

Die Zukunft der Solarzelle

Das volle Potenzial von Solarzellen ist noch lange nicht ausgeschöpft. Auch wenn sich Dickschichtsolarzellen aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades etabliert haben, schreitet die Forschung weiterhin voran. So sind Dünnschichtsolarzellen aktuell noch nicht so weit, dass sie eine echte Konkurrenz sind. Jedoch konnte bereits in den letzten Jahren eine enorme Steigerung des Wirkungsgrads beobachtet werden. Mit ihrem geringen Gewicht könnten sie bald eine echte Alternative zu den klassischen Dickschichtmodulen bieten.

Vielversprechende Solarzellen in der Forschung

• Organische Solarzellen

Solarzellen aus Kohlenwasserstoffverbindungen stecken noch in den Kinderschuhen und sind noch nicht so weit entwickelt, wie die etablierten Produktionsverfahren. Aufgrund ihres Materials werden sie häufig als “Plastiksolarzellen” bezeichnet. Durch ihre Flexibilität können sie auf fast jeder Oberfläche angebracht werden.

Bei herkömmlichen Solarzellen entscheidet die Statik eines Daches, ob Dünnschichtmodule oder Dickschichtmodule zu verwenden sind. Bei organischen Solarzellen tritt dieser Faktor durch ihr geringes Gewicht gänzlich in den Hintergrund. Auch mobile Anwendungen sind mit diesen flexiblen und leichten Zellen einfacher zu realisieren.

Ein Nachteil ist mit ca. 10 Prozent jedoch der geringe Wirkungsgrad organischer Solarzellen. Die Forschung fokussiert sich aktuell darauf, einen höheren Wirkungsgrad erzielen zu können. Um einen relevanten Stromertrag zu erzeugen, ist momentan noch ein hoher Flächenbedarf erforderlich. Das macht sie trotz ihrer geringen Produktionskosten vergleichsweise teuer. Daher bieten sie aktuell noch keine Alternative zu den etablierten Produktionsverfahren.

• Hybrid- oder Tandemzellen

Neben den organischen Solarzellen wird auch an Hybrid- oder Tandemzellen geforscht. Dabei werden zwei oder mehr Solarzellen mit verschiedenen Halbleitern übereinander zu sogenannten Mehrfachsolarzellen angeordnet. Die Idee dahinter ist, dass jede Schicht einen anderen Teil des Lichtspektrums optimal nutzen kann. Durch die Kombination soll der Wirkungsgrad gesteigert werden und damit sogar über der natürlichen Grenze liegen. Die Ergebnisse sind vielversprechend. So wurde unter Laborbedingungen bereits eine Effizienz von über 40 Prozent erreicht.

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