Wenn man an einem sonnigen Tag nach draußen geht, spürt man die wärmende Kraft der Sonne deutlich auf der Haut. Die Sonnenenergie lässt sich jedoch nicht nur zum Wärmen verwenden, sondern auch zum Erzeugen von Strom. Möglich gemacht wird das durch Solarzellen.
In diesem Artikel wird erklärt, wie diese kleinen Technikwunder funktionieren und wie mit ihrer Hilfe die Kraft der Sonne in nutzbare Energie für unseren Alltag verwandelt wird. Photovoltaik ist ein wichtiger Faktor für eine grüne Zukunft – genau deshalb sollte man sie verstehen!
Photovoltaikanlagen bestehen aus Solarmodulen und diese wiederzum aus einzelnen Solarzellen, welche Strom erzeugen
Die Technik hinter den Solarzellen hat in den letzten Jahren viele Fortschritte gemacht. Früher waren sie eine Seltenheit, heute sieht man sie fast überall – zum Beispiel auf vielen Hausdächern, wo sie fleißig Sonnenlicht sammeln und in Strom umwandeln.
Es gibt aber nicht nur die großen Anlagen: Kleine Balkonkraftwerke erlauben es auch Stadtbewohnern, die Energie der Sonne zu nutzen. Dadurch ist die Solartechnologie immer zugänglicher und alltäglicher geworden. Passende Geräte für den Heimgebrauch findet man zum Beispiel im Balkonkraftwerk Test. Ganz gleich, ob große oder kleine Anlage – Solarzellen sind inzwischen ein fester Bestandteil unserer Energielandschaft und wichtigster Bestandteil eines jeden Solarmoduls.
Das Grundprinzip der Photovoltaik
Photovoltaik klingt vielleicht zunächst nach einem komplizierten Begriff, aber das Prinzip dahinter ist faszinierend einfach. Wenn man es herunterbricht, geht es darum, Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Die Sonne sendet Photonen aus, winzige Lichtteilchen, die, wenn sie auf eine Solarzelle treffen, Elektronen in Bewegung setzen. Diese Bewegung erzeugt Strom. Man könnte sagen, Solarzellen sind wie kleine Kraftwerke, die mit der Kraft der Sonne betrieben werden.
Die Struktur einer Solarzelle im Detail
Solarzellen gibt es aus einer Vielzahl von Halbleitermaterialien. Allerdings ist Silizium nach wie vor das dominierende Material in diesem Bereich. Daher konzentrieren wir uns in diesem Artikel auf den speziellen Aufbau einer Silizium-basierten Solarzelle.
Eine typische Silizium-Solarzelle setzt sich aus zwei charakteristischen Schichten zusammen. Die obere Schicht, auch als n-Schicht bekannt, besteht nicht nur aus Silizium, sondern enthält auch eine geringe Menge an Phosphor. Phosphor hat die Fähigkeit, fünf Elektronen in einer Bindung zu nutzen, während Silizium nur vier nutzen kann. Dies führt dazu, dass jedes Phosphoratom ein zusätzliches, frei bewegliches Elektron besitzt.
Die untere Schicht der Solarzelle, die p-Schicht genannt wird, enthält üblicherweise eine kleine Menge Bor. Im Gegensatz zu Phosphor hat Bor nur drei bindungsfähige Elektronen, was in dieser Schicht zur Entstehung sogenannter Elektronenlöcher führt.
Solarzellen sind wie ein Sandwich aufgebaut
Obwohl jede der Siliziumschichten für sich genommen elektrisch neutral ist, liegt Schlüssel im Übergangsbereich zwischen der n-Schicht und der p-Schicht. An dieser Schnittstelle wandern freie Elektronen von der n-Schicht in die p-Schicht und füllen die vorhandenen Elektronenlöcher auf. Dies führt in einem begrenzten Bereich dazu, dass die elektrische Neutralität der beiden Schichten aufgehoben wird und ein elektrisches Feld entsteht.
Auf der Oberfläche der Solarzelle gibt es oft eine Antireflexschicht, die dafür sorgt, dass so viel Licht wie möglich eingefangen wird. Außerdem gibt es Metallkontakte, die den erzeugten Strom abführen. Wenn man also das nächste Mal eine Solarzelle sieht, weiß man, dass darunter eine Menge clevere Technik steckt!
So geschieht die Stromerzeugung
Wenn Sonnenstrahlen auf die Oberfläche einer Solarzelle treffen, regen sie Elektronen dazu an, sich aus den Bindungen der Siliziumatome zu lösen. Diese freigesetzten Elektronen können sich dann innerhalb der Solarzelle frei bewegen. Das elektrische Feld, das an der Grenzschicht zwischen der n-Schicht und der p-Schicht entsteht, zieht die Elektronen zur n-Schicht hin. Dies führt dazu, dass die n-Schicht eine negative und die p-Schicht eine positive Ladung erhält.
Diese Ladungspolarisation zwischen den beiden Schichten erzeugt eine elektrische Spannung. Je intensiver das einfallende Sonnenlicht, desto höher ist diese Spannung. Durch die Verknüpfung der beiden Schichten mit einem externen Stromkreis können die überschüssigen Elektronen von der n-Schicht zurück zur p-Schicht fließen. Dies erzeugt einen Gleichstrom, der für verschiedene praktische Anwendungen genutzt werden kann.
Bei Sonnenschein sortieren sich die Elektronen in der Solarzelle und Strom fließt
Um Solarzellen effektiv für die Stromerzeugung einzusetzen, sind zusätzliche Komponenten erforderlich. Die Zellen müssen in einem stabilen Rahmen montiert und durch eine Glasabdeckung vor den Elementen geschützt werden. Eine Hauptleitung bündelt die elektrischen Ströme der einzelnen Zellen. Schließlich wird der erzeugte Gleichstrom mithilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt, damit er ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann.
Der Wirkungsgrad von Solarzellen
Die Hauptfunktion einer Solarzelle besteht darin, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Ein wichtiger Indikator für die Leistungsfähigkeit der Zelle ist ihr Wirkungsgrad. Dieser wird als das Verhältnis der erzeugten elektrischen Energie zur einfallenden Lichtenergie definiert.
Je näher dieser Wert an der maximal möglichen Effizienz von 100 Prozent liegt, desto höher ist der Wirkungsgrad der Solarzelle. Der Wirkungsgrad dient somit als Maßstab dafür, wie effizient die Solarzelle das verfügbare Sonnenlicht in nutzbare elektrische Energie umwandelt.
Verschiedene Arten von Solarzellen und ihr Wirkungsgrad
Eine einzelne Solarzelle reicht nicht aus, um ein gesamtes Haus mit Energie zu versorgen. Daher werden mehrere Zellen zu einem Solarmodul kombiniert. Abhängig vom Typ der Solarzelle variieren sowohl die Leistung als auch die Anschaffungskosten. Für Privathaushalte sind insbesondere fünf verschiedene Arten von Solarzellen von Interesse:
Monokristalline Solarzellen bestehen aus hochreinem Silizium und bieten einen hohen Wirkungsgrad von derzeit 20 bis 22 Prozent. Sie sind allerdings in der Herstellung komplexer und daher kostenintensiver. Diese Zellen sind besonders geeignet für Gebiete mit starker direkter Sonneneinstrahlung.
Polykristalline Solarzellen sind aus mehreren Siliziumkristallen unterschiedlicher Größe zusammengesetzt. Ihr Herstellungsprozess ist weniger kompliziert als der von monokristallinen Zellen, was sich in geringeren Anschaffungskosten widerspiegelt. Allerdings ist ihr Wirkungsgrad aufgrund von Verlusten an den Kristallgrenzen etwas niedriger. Er liegt zwischen 15 und 20 Prozent.
Dünnschicht-Solarzellen besitzen eine amorphe, nichtkristalline Struktur. Das Halbleitermaterial, meistens Silizium, wird in dünnen Schichten auf ein Trägermaterial aufgetragen. Dieses Verfahren ist ressourcenschonend und daher kostengünstiger, allerdings ist der Wirkungsgrad geringer, meist sogar unter 10 Prozent. Solche Solarzellen eignen sich daher insbesondere für große Flächen.
Organische Solarzellen basieren auf organischen Verbindungen und gehören ebenfalls zur Kategorie der Dünnschicht-Solarzellen. Sie sind flexibel in Form und Anwendung und zeichnen sich durch niedrige Herstellungs- und Entsorgungskosten aus. Ihr Einsatz ist auch in Gebieten mit weniger optimalen Lichtverhältnissen möglich, wobei der Wirkungsgrad noch Verbesserungspotential hat.
PERC-Solarzellen ähneln den monokristallinen Zellen, verfügen jedoch über eine zusätzliche Reflexionsschicht auf der Rückseite. Diese Schicht ermöglicht die bessere Nutzung von langwelligen Lichtstrahlen, was den Wirkungsgrad insbesondere in den Morgen- und Abendstunden erhöht. Ein Nachteil ist jedoch, dass sie schneller an Leistung verlieren.
Faktoren, die die Effizienz beeinflussen
Bei Dickschichtmodulen variiert der Wirkungsgrad aufgrund von Stromverlusten, die an den Grenzen der Kristallstrukturen entstehen. Diese Verluste sind bei Modulen aus monokristallinem Silizium am niedrigsten.
Zusätzlich beeinflussen andere Faktoren wie die Temperatur der Module und die Frequenzen des einfallenden Lichtspektrums den Wirkungsgrad. Insbesondere das Lichtspektrum setzt die theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad einer Solarzelle aus monokristallinem Silizium. Obwohl theoretisch ein Wirkungsgrad von bis zu 33 Prozent möglich wäre, wird dieser Wert in der Praxis nicht erreicht.
Jüngste Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass diese „Grenze“ durchbrochen werden kann. Es wurden bereits Module mit Wirkungsgraden von über 40 Prozent entwickelt. Dies wird erreicht, indem das Modul aus mehreren Schichten besteht, die jeweils für unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums optimiert sind. Licht, das von einer Schicht nicht umgewandelt wird, gelangt zur darunterliegenden Schicht und wird dort weiterverarbeitet. Dies führt zu einer effizienteren Nutzung der gesamten verfügbaren Lichtenergie und erhöht den Wirkungsgrad des gesamten Moduls.
Wirkungsgrad der PV-Anlage niedriger als bei Solarzellen
Der Wirkungsgrad einer einzelnen Solarzelle ist in der Regel höher als der einer gesamten Photovoltaikanlage. Dies liegt daran, dass in der Gesamtberechnung des Wirkungsgrades einer Anlage die Verluste aller Komponenten berücksichtigt werden. Beispielsweise ist die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom im Wechselrichter mit Energieverlusten verbunden. Zudem können lange Kabelwege und ungünstige Querschnitte der Kabel die Stromausbeute reduzieren.
Obwohl die gesamten Verluste einer Anlage auf den ersten Blick mit vier Prozent oder mehr relativ gering erscheinen mögen, summieren sie sich im Laufe der Lebensdauer der Anlage zu einer erheblichen Menge an Kilowattstunden. Dies wirkt sich negativ auf den Gesamtertrag aus. Daher ist es bei der Planung einer Solaranlage nicht nur wichtig, die richtigen Solarzellen bzw. Solarpanele auszuwählen, sondern auch die Qualität der weiteren Bauteile sorgfältig zu prüfen.
Häufige Mythen und Missverständnisse
Es gibt einige Mythen rund um Solarzellen, die man immer wieder hört. Ein klassischer Irrglaube: Solarzellen funktionieren nur bei strahlendem Sonnenschein! Tatsächlich können sie auch an bewölkten Tagen Energie produzieren, wenn auch weniger. Ein weiteres Missverständnis betrifft ihre Lebensdauer. Viele denken, sie würden schnell an Leistung verlieren, doch moderne Zellen sind erstaunlich langlebig.
Solarzellen wichtiger Bestandteil der Energiewende
Ob bei einer großen Photovoltaikanlage oder bei einem kleinen Balkonkraftwerk, Solarzellen sind wichtigster Bestandteil einer Solaranlage. Sie entscheiden, wieviel Strom aus Sonnenlicht produziert werden kann. Wollen wir die Energiewende voranbringen und unsere Zukunft sauberer und mit weniger CO2-Emissionen gestalten, hängt vieles von den kleinen Zellen ab. Und natürlich auch davon, ob wir den durch die Solarzellen erzeugten Strom auch speichern können, damit wir uns auch nachts mit grünem Strom versorgen können. In diesem Beitrag haben Sie gelernt, wie aus Sonnenstrahlen Strom wird und welche Arten von Solarzellen es gibt.
