Solarzellen: Aufbau & Funktionsweise
Solarpanels zieren immer mehr Dächer und produzieren umweltfreundlichen Strom. Doch wie entsteht der Strom mithilfe der Solarzellen? Diese Frage klären wir im Anschluss.
In jeder Photovoltaikanlage müssen die Hersteller Solarzellen verbauen. Sie sorgen dafür, dass Sonnenlicht in Solarstrom umgewandelt wird – man spricht vom sog. photovoltaischen Effekt.
Funktion von Solarzellen
Seit mehr als 150 Jahren ist das physikalische Prinzip der Stromumwandlung von Sonnenlicht bekannt. Der Franzose Henri Becquerel, Preisträger des Nobelpreises für Physik, dass zwischen zwei Halbleiterschichten, die unterschiedlich leiten, Strom fließt, wenn Licht einstrahlt – dieses Phänomen nutzen Solarzellen. Als Halbleiter wird im Regelfall Silizium, Indium oder Gallium verwendet, welches eine elektrische Leitfähigkeit besitzt, die je nach Temperatur größer oder kleiner ist.
Silizium-Solarzellen bestehen aus einer dünnen n-Schicht sowie einer dickeren p-Schicht. Damit an deren pn-Übergang Elektrizität entsteht, werden die Schichten künstlich verunreinigt – man spricht hierbei von Dotierung.
Durch die Verunreinigung entsteht an dem Übergang ein stabiles elektrisches Feld. Dessen Aufgabe besteht darin, Elektronen-Loch-Paare, die vom Licht erzeugt werden, zu trennen. Außerdem soll es sie davon abhalten, zu rekombinieren.
Aufbau von Solarzellen
Eine Solarzelle hat folgenden Aufbau:
- Minuspol
- n-Schicht
- pn-Übergang
- p-Schicht
- Pluspol
Eine Antireflexschicht ist auf der Oberseite einer Solarzelle angebracht. Die Dicke einer solchen Solarzelle beträgt nur rund 0,3 Millimeter.
Eine einzelne Solarzelle kann natürlich nicht genügend Strom produzieren. Jede Solarzelle generiert rund 20 Milliampere Strom. Deshalb werden Solarzellen zu einem Solarmodul zusammengebaut. Hersteller haben dabei zwei Möglichkeiten: Parallel- oder Reihenschaltung.
Die Parallelschaltung kommt im Regelfall nur bei verschatteten Systemen und Inselanlagen zum Einsatz. In allen anderen Fällen nutzt man die Reihenschaltung. Die Minus- und Pluspole der Solarzellen werden mit Lötverbindungen befestigt. Dann setzt man die Solarzellen in einen transparenten Kunststoff ein, welcher auf der Oberseite eine Glasscheibe besitzt. Auf der Rückseite sitzt eine schützende Kunststofffolie.
Polykristalliner Wafer. © Armin Kübelbeck, CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/), via Wikimedia Commons
Die Ausführungen der Silizium-Solarzellen
Die meisten Hersteller nutzen Silizium für ihre Solarzellen. Bei den Kristallen unterscheidet man nach dem Grad der Verunreinigung. 100 Prozent reine Kristalle gibt es nicht, da sie alle Fremdatome enthalten. Dennoch ist die Reinheit des Siliziums wichtig. Ein weiteres Qualitätskriterium ist, ob der Hersteller einen großen Kristall für die Solarzelle nutzt oder kleine Kristalle zusammensetzt. Bei Letzteren treten Stromverluste auf, dafür ist es die günstigere Lösung. Die dritte Möglichkeit liegt darin, Silizium zu schmelzen und die Masse auf die Solarzelle aufzudampfen. Der Nachteil: Der Wirkungsgrad ist recht gering, aber die Kosten sind es auch.
Neu ist die Idee, organische anstelle von kristallinen Halbleitern zu verwenden. Diese Halbleiter würden Kohlenstoff enthalten. Sein Vorteil: Er ist günstig, leicht zu verarbeiten und kann in verschiedene Formen modelliert werden. Aktuell ist der Wirkungsgrad aber sehr gering; durch Fortschritte in der Materialforschung könnte er in Zukunft verbessert werden.
Derzeit sehen die Wirkungsgrade von Solarzellen wie folgt aus:
| Solarzellentyp | Wirkungsgrad in % |
| monokristallines Silizium | ~ 19 |
| polykristallines Silizium | ~ 15 |
| Dünnschichtzellen | ~ 7 |
Die Zukunft der Solarzellen wird sich mit großer Wahrscheinlichkeit auf organische Halbleiter konzentrieren, weil sie günstig sind. Eine allzu große Steigerung des Wirkungsgrades scheint jedoch eher unwahrscheinlich.
Siliziumsolarzelle. © Degreen, CC BY-SA 2.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=30463050