Wie funktioniert eine Solarzelle? Einfach erklärt

Bei einer Solarzelle handelt es sich um ein elektronisches Halbleiterbauteil, das Lichtenergie direkt in elektrische Energie umsetzt. Viele dieser Elemente werden in einem Solarmodul zusammengefasst – und mehrere Module bilden schließlich eine komplette Photovoltaikanlage.

PV-Anlagen bestehen also nicht aus einem einzigen großen Bauteil, sondern aus vielen einzelnen Einheiten, die gemeinsam die Stromerzeugung ermöglichen. Dieses modulare Prinzip macht Photovoltaik flexibel skalierbar – vom Einfamilienhaus bis zur Gewerbeimmobilie.

Die Funktionsweise von Solarzellen basiert auf dem photovoltaischen Effekt, der erstmals im 19. Jahrhundert von Physikern entdeckt wurde. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden Lichtteilchen, sogenannte Photonen, auf das Halbleitermaterial gerichtet. Diese Photonen haben genug Energie, um Elektronen aus ihren Bindungen zu lösen und in Bewegung zu setzen.

Das entscheidende Element im Inneren der Solarzelle ist das elektrische Feld an der Grenzschicht zwischen den zwei dotierten Siliziumschichten. Dieses Feld wirkt wie ein „Filter“, der die freigesetzten Elektronen in eine bestimmte Richtung lenkt. Die positiven Ladungsträger (Löcher) bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung.

Diese Bewegung der Elektronen und der positiven Ladungsträger erzeugt eine elektrische Spannung. Wenn ein äußerer Stromkreis geschlossen wird, fließen die Elektronen über die Metallkontakte und erzeugen so den elektrischen Strom. Dieser Strom kann dann ins Hausnetz eingespeist oder für den Eigenverbrauch genutzt werden.

Zusammengefasst lässt sich der Vorgang folgendermaßen erklären:

1. Licht setzt Elektronen frei.
2. Das elektrische Feld trennt die Ladungsträger.
3. Der resultierende Elektronenfluss erzeugt Strom.

Es gibt heute mehrere Arten von Solarzellen, die sich in Material, Aufbau und Einsatzbereich unterscheiden. Jede Technologie hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, die den Wirkungsgrad sowie die Anwendungsbereiche beeinflussen.

Monokristalline Solarzellen gehören zu den effizientesten und langlebigsten Technologien im Bereich der Photovoltaik. Sie bestehen aus einem einzigen, hochreinen Siliziumkristall, was ihnen eine besonders homogene Struktur verleiht. Diese Struktur ermöglicht es den Elektronen, sich besser zu bewegen, wodurch die Zellen einen höheren Wirkungsgrad erreichen – oft zwischen 18% und 22%, je nach Qualität und Hersteller. Aufgrund ihrer hohen Effizienz eignen sich monokristalline Solarzellen besonders für Dächer mit begrenztem Platz, da sie auf kleinem Raum mehr Energie produzieren können.

Polykristalline Solarzellen sind in der Herstellung günstiger als monokristalline Zellen, da sie aus mehreren Siliziumkristallen bestehen, die während des Herstellungsprozesses miteinander verbunden werden. Diese Zellen erreichen in der Regel einen geringeren Wirkungsgrad von etwa 15% bis 18%, was sie weniger effizient macht als monokristalline Zellen. Aufgrund der geringeren Materialkosten sind sie jedoch oft preiswerter.

Dünnschicht-Solarzellen bestehen aus mehreren dünnen Schichten photovoltaischer Materialien, die auf flexible Substrate aufgebracht werden. Diese Zellen können auch aus organischen Materialien bestehen, die kohlenstoffbasiert sind, was sie besonders leicht und teilweise flexibel macht. Die Effizienz von Dünnschicht- und organischen Solarzellen liegt jedoch meist bei etwa 10% bis 15%, was sie weniger leistungsfähig als Silizium-basierte Zellen macht.

Perowskit-Solarzellen stellen eine der vielversprechendsten Entwicklungen in der Photovoltaikforschung dar. Sie bestehen aus einem Perowskit-Material, das in der Lage ist, Sonnenlicht mit hoher Effizienz in Strom umzuwandeln. Erste Tests und Entwicklungen haben hohe Wirkungsgrade gezeigt, die teilweise in den Bereich von 20% bis 25% reichen, und sie werden zunehmend als Ergänzung zu Siliziumzellen in Tandem-Architekturen untersucht.