Solarenergie. Dieses Bild zeigt ein Mädchen un deinen Junden, die beide eine Solarzelle anfassen.
Sonnenenergie

Solaranlagen: Wie funktioniert eine Solarzelle?

Auf jeden einzelnen Quadratmeter der Erde treffen im Jahresmittel laut dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt Sonnenstrahlen mit einer Intensität von 1340 Watt. Zum Vergleich: Über 400 Kernkraftwerke müssten viele Millionen Jahre mit voller Kraft laufen, um so viel Energie zu produzieren, wie die Sonne in nur einer einzigen Sekunde erzeugt. Solar- oder besser gesagt PV-Anlagen helfen dabei, einen Teil dieser Energie in Strom umzuwandeln und so Häuser zu heizen, E-Autos zu betanken oder Lampen zum Leuchten zu bringen. Aber wie funktioniert eigentlich eine Solarzelle, welche unterschiedlichen Arten gibt es – und welches Licht benötigen sie, um effektiv zu arbeiten? Hier gibt es die Antworten.

Gibt es einen Unterschied zwischen Solaranlage und Photovoltaikanlage?

Hinter dem Begriff „Solaranlage“ verstecken sich zwei verschiedene Technologien. Beide nehmen die Energie der Sonne auf und wandeln sie um. Es entsteht aber jeweils ein anderes Endprodukt: Solarthermieanlagen nutzen das Sonnenlicht, um Wärme zu erzeugen. Photovoltaikanlagen – die umgangssprachlich als Solaranlagen bezeichnet werden – nutzen das Sonnenlicht, um dieses in Strom umzuwandeln. Kern einer Photovoltaikanlage sind Solarzellen. Wie genau solche Solarzellen Strom erzeugen, erklären wir in diesem Artikel. Falls Sie noch mehr über die unterschiedlichen Anlagentypen erfahren wollen, finden Sie weitere Informationen in unserem Ratgeber zum Unterschied zwischen PV- und Solarthermieanlage.

Solarmodul
Mit einer Photovoltaikanlage können Immobilienbesitzer:innen, Wohnungseigentümer:innen und Mieter:innen einen Beitrag zur Energiewende leisten.

Wie sind Solarzellen und Solarmodule aufgebaut?

Zwei Komponenten sind bei der Energieumwandlung durch eine Solarzelle in einer Photovoltaikanlage besonders wichtig: Zum einen ist da das Element Silizium, das ein Bestandteil von Sand ist und auf der Erde in so großer Menge vorkommt, das es als unerschöpflich gilt. Und zum anderen sind da die Sonnenstrahlen, die winzige Energieträger, die Photonen, enthalten.

Damit möglichst viele Photonen auf das Silizium treffen, ist die Oberseite einer Solarzelle mit einem hauchdünnen Film überzogen – mit einer Antireflexschicht. Sie soll verhindern, dass das Sonnenlicht von der Solarzelle reflektiert anstatt aufgenommen wird.

Nach der Antireflexschicht beginnt ein Gitter aus Leiterbahnen. Sie dienen der Solarzelle als sogenannte obere Kontaktschicht. Auch dieses Metallgitter ist dünn gehalten, damit so viel Licht wie möglich die nächste Schicht erreicht: die Siliziumplatte.

Durch das Einbringen von Fremdatomen in diese Schichten können die elektrischen Eigenschaften beeinflusst werden. In Siliziumkristallen werden dafür etwa Bor oder Phosphor verwendet. Dieser Vorgang wird als Dotierung bezeichnet.

Was bedeutet n- und p-Dotierung?

Bei der sogenannten n-Dotierung wird eine frei bewegliche negative Ladung beispielsweise in Siliziumkristalle eingebracht. Aufgrund der negativen Ladung bezeichnet man den Vorgang als n-Dotierung. Der Begriff p-Dotierung wird hingegen benutzt, wenn eine positive Ladung in ein anderes Material eingebracht wird.

In der ersten von insgesamt zwei Siliziumschichten wurden die Siliziumkristalle gezielt mit Phosphor verunreinigt und damit n-dotiert. Die Atome des Phosphors stellen in der Siliziumkristallstruktur einen Elektronenüberschuss her. Ankommende Photonen gleiten durch diese dünne Schicht hindurch.

Die Photonen treffen daher direkt auf die zwischen den beiden Siliziumschichten gelegene sogenannte Grenzschicht. Diese stellt gewissermaßen eine neutrale Zone dar, in der keine freien Ladungsträger vorhanden sind, weshalb sich dort ein Gleichgewicht zwischen Elektronen und Elektronenlöchern einstellt.

Die Grenzschicht besteht aus einem weitestgehend reinen Siliziumkristallgitter (Elektronen- und Elektronenlöcherpaare). Die Photonen können diese Schicht nicht einfach passieren. Wenn sie auftreffen, reagiert das Element: Die Photonen lösen die negativ geladenen Elektronen aus den Elektronenlöchern. Diese werden von der ersten Siliziumschicht angezogen und bewegen sich zu ihr zurück.

Zusätzlich werden positiv geladene Teilchen frei. Diese nehmen die entgegengesetzte Richtung, sie bewegen sich nach unten – zur zweiten Siliziumschicht. Die Kristalle dort wurden gezielt mit Bor verunreinigt, in diesem Falle also p-dotiert. Dadurch kann die Schicht als Minuspol wirken; sie zieht die positiv geladenen Elektronenlöcher an.

Verbindet man die obere und die untere Kontaktschicht mit einem Stromkabel, schließt man den Kreis zwischen Minus- und Pluspol: Der Strom fließt. Werden mehrere solcher Solarzellen in Reihe geschaltet, ergeben sie ein Solar- oder PV-Modul. Dies wird durch einen Rahmen zusammengehalten; die einzelnen, empfindlichen Solarzellen werden durch eine Glas- sowie weitere Folienschichten vor Witterungseinflüssen geschützt.

Photovoltaik. Diese Grafik zeigt die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage im Zusammenspiel mit Sonnenlicht, Stromkabel und weiteren Faktoren.
Photovoltaikanlagen erzeugen aus Sonnenlicht, das auf Solarzellen fällt, Strom. Die einzelnen Solarzellen sind zu größeren Solarmodulen verschaltet.

Wie funktioniert eine Solarzelle in einer Photovoltaikanlage?

Trifft Sonnenlicht auf die Solarzelle, werden die elektrischen Ladungsträger in der Zelle – die sogenannten Elektronen – angeregt und geraten in Bewegung. In den inneren Schichten der Solarzelle kommt es zu einer Wechselwirkung, wobei sich die positiv geladenen Elektronen nach unten und die negativ geladenen nach oben bewegen. Ein Stromkabel schließt den Kreis zwischen den Elektronen und leitet den so erzeugten Strom weiter ins Haus.

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Aktuell gibt es drei verschiedene Arten von Solarzellen, die für private Verbraucher:innen interessant sind. Welche das sind, welche Eigenschaften sowie Vor- und Nachteile sie haben, zeigt unsere Übersicht. Gut zu wissen: Die Funktion der Solarzelle an sich bleibt auch bei unterschiedlichen Modellen gleich.

Solarmodul

Monokristalline Solarzellen: Bei der Herstellung dieser Solarzellenart werden monokristalline – also besonders reine – Stäbe aus flüssigem Silizium gezogen und anschließend in dünne Scheiben oder Stäbe (Wafer) zerteilt. Durch den sehr hohen Siliziumanteil sind sie besonders effizient. Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 14 bis 22 Prozent. Durch die aufwendige Herstellung und Materialkosten ist der Anschaffungspreis von PV-Anlagen mit monokristallinen Solarzellen vergleichsweise hoch. Sie werden in der Regel bevorzugt dort eingesetzt, wo mit einem hohen Anteil direkter Sonneneinstrahlung zu rechnen ist.

Polykristalline Solarzellen: Diese Solarzellen bestehen aus vielen unterschiedlich großen Siliziumkristallen, wodurch das Silizium nicht so rein ist. Es wird zuerst ein Siliziumblock gegossen, der anschließend abgekühlt wird, sodass sich das flüssige Silizium verfestigt. Dadurch entstehen Kristallstrukturen von unterschiedlicher Größe. Davon werden dünne Scheiben abgetrennt – jede Scheibe ist eine polykristalline Solarzelle. Sie besitzen mit 13 bis 20 Prozent einen leicht geringeren Wirkungsgrad als monokristalline Solarzellen. Dafür sind die Anschaffungskosten durch einen einfacheren Herstellungsprozess, bei dem weniger Energie benötigt wird, niedriger. Zudem ist die Umweltbilanz dieser Solarzellenart besser.

Solarmodul
Solarmodul
  • Dünnschichtzellen: Diese Art der Solarzellen besitzt eine amorphe, nichtkristalline Struktur. Als Halbleitermaterial kommt auch hier meist Silizium zum Einsatz. Es wird mit anderen Bestandteilen vermischt und in einer hauchdünnen Schicht auf einem Trägermaterial, beispielsweise Glas, aufgetragen. Dieser Prozess ist relativ unkompliziert und erfordert nur wenige Ressourcen. Das macht Dünnschichtzellen deutlich günstiger als die beiden oben beschriebenen Solarzellenarten. Weitere Vorteile sind ihr geringes Gewicht und ihre Flexibilität. Darum kommen sie auch meist als Mini-Solaranlagen beziehungsweise als Balkonkraftwerke zum Einsatz. Ihr Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad von sechs bis acht Prozent, der durch eine größere Modulfläche kompensiert werden muss. Einen etwas höheren Wirkungsgrad kann man beispielsweise mit neuen Materialien gewinnen. Dazu zählen Cadmium-Tellurid (CdTe) sowie Kupfer-Indium-Diselenid (CIS). Dadurch kann der Wirkungsgrad auf acht bis zehn Prozent erhöht werden.

Wenn Sie wissen wollen, welche Größe eine Photovoltaikanlage haben muss, um effektiv zu arbeiten, informieren Sie sich in unserem Ratgeber.

Erzeugt eine Solarzelle Gleich- oder Wechselstrom?

Grundsätzlich erzeugen Solarzellen in Photovoltaikanlagen immer Gleichstrom. Allerdings benötigen die meisten elektrischen Geräte im Haushalt Wechselstrom. Darum besteht eine PV-Anlage nicht nur aus den Solarmodulen, sondern weiteren Bauteilen wie einer Unterkonstruktion, Verkabelungen, Anschlusselektrik, einem Zweirichtungszähler für die Einspeisung ins Stromnetz und den Netzbezug sowie dem Wechselrichter. Dieser wandelt nicht nur den Gleichstrom aus den Solarzellen in Wechselstrom um, sondern überwacht auch die gesamte Photovoltaikanlage. Er misst Spannung, Stromstärke und Leistung und kann so schnell Störungen identifizieren.

Gut zu wissen: Es gibt drei Arten von Wechselrichtern

Der Solar-Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um, der durch elektrische Geräte genutzt werden kann. Ein Batterie-Wechselrichter wandelt Wechselstrom in Gleichstrom und Gleichstrom in Wechselstromum, je nach dem ob er ein- oder ausspeichert. In den meisten PV-Anlagen lässt sich ein Hybrid-Wechselrichter verbauen, der beide Funktionen beherrscht.

Welches Licht benötigt eine Solarzelle?

Photovoltaik ist ein effizienter Stromerzeuger, allerdings kann nicht jedes Licht dafür genutzt werden. Die physikalischen Grenzen ergeben sich aus der Funktion der Solarzelle: Um die oben beschriebene Wechselwirkung im Inneren der Zelle auslösen zu können, benötigen die Photonen, die über die Lichteinstrahlung in die Solarzelle gelangen, eine bestimmte Energie beziehungsweise Wellenlänge. Lichtteilchen aus dem niedrigen infraroten Spektrum des Sonnenlichts sind am besten geeignet. Photonen mit einer zu geringen Energie strahlen ungenutzt durch die Solarzelle hindurch. Man spricht dabei von Durchstrahlungs- oder Transmissionsverlusten. Photonen, die zu viel Energie mitbringen, können ebenfalls nicht optimal genutzt werden. Sie lösen zwar ein Elektron aus dem Halbleitermaterial der Solarzelle; die überschüssige Energie wird aber in Form von Stößen abgegeben. Da sich die Solarzelle dadurch erhitzt, spricht man hier von Thermalisierungsverlusten.

Da die Leistung eines Solarmoduls mit steigender Temperatur sinkt, sollte man bei der Auswahl von Solarmodulen auf einen möglichst niedrigen Temperaturkoeffizienten achten. Dieser gibt an, wie stark sich die Leistung eines Solarmoduls verringert, wenn sich die Temperatur der Moduloberfläche erhöht. Weitere nützliche PV-Begriffe und Tipps finden Sie in unserem Lexikon der Photovoltaik.

Was kostet eine Solarzelle?

Wie teuer eine Solarzelle ist, wird unter anderem durch das verwendete Material und die Art der Solarzelle bestimmt. Das hat auch Einfluss auf den Preis der gesamten PV-Anlage. Im Durchschnitt kosten diese zwischen 6000 und 12.000 Euro – wenn sie mit vier bis zehn Kilowattpeak Leistung für ein durchschnittliches Ein- oder Zweifamilienhaus ausgelegt sind.

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12. Juli 2023
Erneuerbare Energien
Solar
Klimaschutz

Text: Redaktion #positiveenergie. Fotos: Getty Images (2), Shutterstock.

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