Die Funktion der Solarzelle im Überblick

Photovoltaik gilt als eine der nachhaltigsten und damit zukunftsfähigsten Formen der dezentralen Stromerzeugung überhaupt. Solarthermiesysteme erzeugen dagegen keinen Strom, sondern unmittelbar Heizwärme. Damit unterstützen sie vor allem die heimische Heizung und Brauchwassererwärmung.

Schon heute finden sich auf unzähligen Neubauten Solarmodule der einen oder anderen Art. Hinzu kommt eine steigende Zahl an Balkonkraftwerken und anderen Kleinanlagen. Ebenfalls diskutiert wird eine gesetzliche Verpflichtung zum Aufbau von stromerzeugenden Solaranlagen bei Neubau und Sanierung von Gebäuden. In Teilen Deutschlands ist diese Verpflichtung schon heute Realität. Viele Menschen sind sich aber nach wie vor nicht im Klaren darüber, welche Solaranlagen es überhaupt gibt und wie die einzelnen Systeme funktionieren. Hier finden Sie einige grundlegende Informationen und Erläuterungen rund um den Aufbau und die Funktionsweise von Photovoltaikanlagen.

Was ist eine Solarzelle?

Die Solarzellen oder besser Solarmodule werden häufig als die eigentliche Anlage im Ganzen angesehen. Doch damit werden wichtige Bauteile von Solaranlagen unterschlagen. Die meist auf dem Gebäudedach sichtbaren Module sind lediglich die Bauteile, die das Sonnenlicht einfangen und nutzbar machen. Die hier erzeugte Energie muss nun gesammelt und für den späteren Verbrauch gespeichert oder an andere Verbraucher weitergeleitet werden.

Bei Solarthermieanlagen wird normalerweise ein zusammenhängender Kollektor installiert, der nur in seiner Gesamtheit in der Lage ist, die nötige Heizwärme zu generieren. Photovoltaikanlagen dagegen setzen sich aus deutlich kleineren Einzelzellen zusammen, die technisch zu einzelnen Modulen zusammengefasst werden. Diese generieren für sich genommen nur eine geringe Stromstärke. Erst aus der Kombination einer Vielzahl von Modulen zu einer ganzheitlichen PV-Anlage entsteht eine technisch sinnvoll nutzbare Menge an elektrischer Energie.

Die Geschichte der Photovoltaik

Die Anfänge der Photovoltaik liegen im Jahr 1839. In diesem Jahr entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel den photoelektrischen Effekt. Weitere wegweisende Forschungen erfolgten durch den bekannten Physiker Albert Einstein, der für seine theoretische Erklärung des photoelektrischen Effekts im Jahr 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Erst über 100 Jahre später, im Jahr 1954, entstand in den Bell Laboratories daraus die erste funktionstüchtige Solarzelle. 1958 nutze der US-amerikanische Satellit Vanguard 1 die Technik erstmals erfolgreich und ebnete den Weg für eine zunächst vor allem der Raumfahrt vorbehaltene Photovoltaik-Technik. Die eingesetzten PV-Module erlaubten erstmals eine autonome Stromversorgung weit über die übliche Kapazität gängiger Akkus hinaus.

Die Öl-Krise der 1970er Jahre und das Reaktorunglück von Tschernobyl gelten als die Wegbereiter und Beschleuniger der zivilen Photovoltaiknutzung. Ab den späten 1980er Jahren sind Photovoltaikanlagen für technikaffine Privatpersonen mit großem Budget erhältlich.

In Deutschland wurde durch die Bundesregierung schon in den 1990ern eine erste Initiative zum Ausbau von Photovoltaik auf privaten Dachflächen angestoßen. Der Erfolg war wegen der damals noch enormen Investitionskosten in Verbindung mit einem noch sehr geringen Wirkungsgrad bescheiden.

Photovoltaik im Einsatz - ein Überblick

Die Spanne möglicher Verwendungen von Photovoltaik ist breit: Im Privaten Rahmen decken Sie heute nahezu alle Stromverbraucher ab und tragen damit zu einer steigenden Unabhängigkeit vom zentralen Versorgungsnetz bei. Dafür werden Solarmodule heute nicht mehr nur auf Dächern, sondern auch auf Freiflächen, an Balkonen oder an den Gebäudefassaden selbst installiert. Hinzu kommen zahlreiche Verbraucher, wie etwa Leuchten, die bereits über eigene integrierte Solarzellen verfügen.

Im öffentlichen Bereich nutzen vor allem dezentrale Verbraucher die PV-gestützte Stromversorgung über eigene Module:

• Straßen- und Wegbeleuchtung
• Effektbeleuchtung für Gebäude, Parks etc.
• Anzeigetafeln und Schilder
• Parkautomaten
• Notrufsäulen

Durch die steigende Effizienz der Anlagen und die Stromerzeugung selbst ohne direkte Sonneneinstrahlung wächst die Zahl möglicher Verwendungen stetig weiter.

Privat überzeugen Kleinanlagen und gerätegebundene Solarmodule vor allem dort, wo keine anderweitige Stromversorgung vorhanden ist. Von der Beleuchtung des Gartengrundstücks bis hin zum Betrieb von Bewässerungspumpen spart Solartechnik heute vielerorts aufwändige Leitungs- und Installationsarbeiten.

Nicht zuletzt die stetig steigenden Strompreise beschleunigen den Ausbau der PV-Technik zusätzlich. Eine eigene Photovoltaikanlage hilft, die Entnahme aus dem öffentlichen Stromnetz zu minimieren und die dafür anfallenden Stromkosten drastisch zu senken. Wird ein Überschuss produziert, besteht darüber hinaus sogar die Möglichkeit, durch die Einspeisung einen Gewinn zu erwirtschaften.

Von der Solarzelle zur Photovoltaikanlage

Typische Leistungen einzelner Solarmodule liegen heute in der Größenordnung von rund 0,4 Kilowatt peak. Das bedeutet, das Modul erzeugt unter theoretischen rechnerischen Rahmenbedingungen im Jahr eine Leistung von rund 400 Kilowattstunden elektrischer Energie. Um für Privathaushalte sinnvolle Energiemengen zu generieren, sind deshalb Anlagengrößen von 15 bis 20, je nach verfügbarer Dachfläche auch deutlich mehr Modulen üblich.

Moderne PV-Module nutzen mittlerweile die so genannte Tandem-Technik. Hier werden die einzelnen Solarzellen nicht nur nebeneinander gruppiert, sondern auch übereinander gestapelt. So können die aufeinander abgestimmten Zellen das Lichtspektrum vollumfänglich ausnutzen und damit ihren Wirkungsgrad deutlich steigern.

Die Funktion der Solarzelle einfach erklärt

Der technische Prozess vom Sonnenlicht zur nutzbaren elektrischen Energie ist komplex. Sonnenlicht enthält Photonen, die auf die Solarzelle treffen. Diese Photonen lösen aus dem Halbleitermaterial der Solarzelle Elektronen, die zum Pluspol der Zelle wandern und weitergeleitet werden. Es entsteht eine elektrische Spannung.

Globalstrahlung - Was ist das?

Häufig wird im Zusammenhang mit Photovoltaikanlagen der Begriff der Globalstrahlung verwendet. Mit Globalstrahlung wird das gesamte Spektrum des Sonnenlichts bezeichnet. Sonnenlicht setzt sich nicht nur aus einem Licht, sondern aus einer Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen zusammen. Hinzu kommt die Unterteilung in direkte, also unmittelbar von der Sonne auftreffende Strahlung und diffuse oder indirekte Lichtstrahlung, die auf ihrem Weg beispielsweise von Wolken, Gewässern oder sonstigen Objekten reflektiert und umgelenkt wird. Photovoltaikanlagen sind heute in der Lage, beide Formen des Sonnenlichts zu nutzen. Daher ist die direkte Ausrichtung auf die Haupteinfallrichtung des Sonnenlichts mittlerweile weniger relevant.

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?

Der grundlegende Aufbau einer Solarzelle erfolgt mehrschichtig. Auf der oberen, der Sonne zugewandten Seite liegt der Minuspol. Direkt darunter folgt der Halbleiter aus Silizium und Phosphor. Darunter befindet sich eine Lage mit Bor versetztes Silizium. Den unteren Abschluss, also die Rückseite, bildet der Rückseitenkontakt als Pluspol.

Wie entsteht aus Sonnenlicht Strom?

Trifft Sonnenstrahlung auf die Zelle, reagieren die Siliziumschichten mit den Photonen des Sonnenlichts.

Auf atomarer Ebene geschieht folgendes: Das eingelagerte Silizium verfügt über vier Elektronen je Silizium-Atom und stellt damit einen Nicht-Leiter dar. Es bildet lediglich die Plattform für die ablaufende Reaktion. Phosphor verfügt über vier gebundene Elektronen und ein zusätzliches, freies Elektron. Bor dagegen besitzt lediglich drei Elektronen. Nun wandert das freie Elektron des Phosphors, um die Lücke der Bor-Atome zu schließen. Die Photonen des Sonnenlichts lösen die angesetzten Elektronen wieder vom Bor-Atom und lassen diese zum Pluspol an der Zellenrückseite wandern. Dort ist der Elektronenüberschuss als elektrische Spannung Messbar. Es entsteht Strom.

So wird Solarstrom nutzbar

Um den in den Zellen und Modulen erzeugten Strom nutzen zu können, sind weitere technische Komponenten erforderlich. Durch den elektrochemischen Prozess innerhalb der Zellen steht zunächst Gleichstrom zur Verfügung. Dieser muss über einen Wechselrichter oder auch Spannungswandler in den haushaltsüblichen Wechselstrom transformiert werden. Nun besteht die Möglichkeit, den erzeugten Strom entweder gegen eine Vergütung in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Oder er wird innerhalb des eigenen Gebäudes gespeichert und der Eigennutzung zugeführt.

Welche Solarzellen-Typen gibt es?

Allgemein unterscheidet man heute zwei verschiedene Bauwesen von photovoltaischen Solarzellen.

Monokristalline und Polykristalline Solarzellen zählen zu den Dickschicht-Solarzellen. Dünnschicht-Solarzellen sind, wie der Name vermuten lässt, deutlich dünner in ihrem Aufbau. Aktuelle Forschungen haben außerdem das Ziel, neue Konstruktionen ohne die knappen Rohstoffe Silizium und Co. zu entwickeln. Zwei der vielfältigen Forschungsrichtungen zielen daher beispielsweise auf eine organische Solarzelle und eine Solarzelle, die ohne Lichteinfall auskommt, ab.

Der Wirkungsgrad - Gradmesser für die Leistungsfähigkeit

Der Wirkungsgrad von Solarzellen gibt an, wieviel Prozent der auftreffenden Sonnenenergie am Ende des technischen Prozesses als elektrische Energie zur Verfügung steht. Die Messungen zur Bestimmung dieses Wirkungsgrads erfolgen unter klardefinierten Laborbedingungen, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.

Monokristalline Solarzellen

Erkennbar sind monokristalline Solarzellen durch ihre typisch schwarze Färbung und die charakteristischen abgeschrägten Ecken. Die Kosten für monokristalline Zellen sind zwar vergleichsweise hoch, im Gegenzug liegt der Wirkungsgrad aber auch im Bereich um 18 bis 22 Prozent. Das bedeutet, dass rund ein Fünftel der auftreffenden Sonnenenergie als elektrische Energie nutzbar gemacht werden kann. Dieser hohe Wirkungsgrad wird durch den namensgebenden großen Siliziumkern der Zellen erreicht.

Zusammengefasst sind monokristalline Solarzellen am teuersten, gleichzeitig aber auch am leistungsfähigsten.

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen werden aus mehreren kleinen Siliziumkernen aufgebaut und sind demensprechend günstiger. Allerdings resultiert aus der abweichenden Bauweise auch ein niedrigerer Wirkungsgrad von höchstens 18 Prozent. Auch optisch unterscheiden sich polykristalline Zellen klar von monokristallinen Bauweisen. Polykristalline Zellen erscheinen meist blau und weisen eine rechteckige Form auf.

In der Gesamtschau sind Anlagen aus polykristallinen Zellen günstiger in der Anschaffung, sie benötigen aber für dieselbe Leistung eine größere Fläche für mehr Module.

Dünnschichtzellen

Wird eine Trägerschicht hauchdünn mit Silizium bedampft, spricht man von so genannten Dünnschichtzellen. Ihr charakteristisches Merkmal ist die klar unterscheidbare, geringe Höhe. Dünnschichtzellen liegen in unteren Preissegment, weisen aber auch die niedrigsten Wirkungsgrade auf. Sie eignen sich deshalb vor allem für besondere Verwendungszwecke, die den Einsatz der verbreiteten mono- und polykristallinen Zellen nicht erlauben.

Die Solarzelle ohne Licht

Ohne Sonnenlicht fehlen der Solarzelle die den Prozess antreibenden Photonen. Kein Licht - keine Photonen - kein Strom. Ist eine Solarzelle tagsüber aktiv, lagern sich im Material die genutzten Photonen ein. Nachts entweichen diese Photonen wieder, die Solarzelle kühlt ab. Diesen Vorgang wollen sich die Forscher der Stanford University zu Nutze machen und daraus einen ebenfalls Strom erzeugenden Prozess generieren. Noch ist diese Technik aber nicht so weit gediehen, dass sie sich technisch in Serie verwenden lässt.

Organische Zellen

Eine organische Solarzelle wird nicht aus Silizium, sondern aus Kunststoff aufgebaut. Zwar wurden bereits funktionierende organische Zellen entwickelt und getestet, allerdings steckt die dahinterstehende Technik noch in den Kinderschuhen. Die aktuell möglichen Wirkungsgrade stehen weit hinter den Wirkungsgraden anderer Bauweisen zurück. Auch die Auswahl tauglicher Materialien ermöglicht derzeit noch keine sinnvolle Serienverwendung.

Die Herstellung von Solarzellen

Die Herstellung von Solarzellen ist komplex und ungleich aufwändiger, als beispielsweise der Bau solarthermischer Kollektoren. Der Weg vom Siliziumkristall zum einsetzbaren Solarmodul ist weit. Die einzelnen Bauteile werden durch unzählige Arbeitsschritte und unter Einsatz von Plasmakammern, Siebdruckmaschinen und Brennkammern Schritt für Schritt erstellt und fügen sich am Ende zu einer gesamtheitlichen, funktionierenden PV-Anlage zusammen. Auch heute noch ist der Herstellungsprozess energieintensiv und aufwändig. Durch die fortschreitende Entwicklung sind aber mittelfristig deutlich sparsamere und einfachere Prozesse zu erwarten. Darüber hinaus lohnt der Einsatz von PV-Anlagen unter Berücksichtigung der Einsparpotentiale bei den fossilen Energieträgern allemal.