Solarzelle: Aufbau, Funktion, Typen, Kosten 

Solarzellen wandeln das einfallende Sonnenlicht in elektrische Energie um. In diesem Artikel erfahren Sie alles über Solarzellen, vom Aufbau und Funktion über die verschiedenen Typen und Kosten.

Was ist eine Solarzelle? 

Die Solarzelle ist ein elektrisches Element, das Sonnenlicht in Strom umwandelt. Sie ist der Grundbaustein jeder Solaranlage. Mehrere Solarzellen werden zu einem Solarmodul verbaut. 

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut? 

Solarzellen bestehen meist aus einem Halbleiter, in der Regel Silizium, das in einer oberen und unteren Schicht aufgebaut ist. Die obere Schicht ist negativ geladen, weswegen man sie als n-dotierte Schicht bezeichnet. Die untere Schicht ist positiv geladen und wird als p-dotierte Schicht bezeichnet. Zwischen beiden Schichten entsteht eine Raumladungszone.

Eine etwas ausführlichere Erklärung: 

Eine Solarzelle besteht aus zwei Siliziumschichten. Um den Stromfluss zu ermöglichen, werden diese unterschiedlich dotiert. Das heißt, in die Siliziumschichten werden Materialien mit einer unterschiedlichen Anzahl von Außenelektronen eingebracht.

• n-dotierte Schicht: Diese Siliziumschicht wird mit Phosphor dotiert. Phosphor besitzt fünf Außenelektronen, sodass ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen entsteht.
• p-dotierte Schicht: Diese Siliziumschicht wird mit Bor dotiert. Boratome haben nur drei Elektronen in ihrer äußeren Schale, sodass "Löcher" in der Schicht entstehen. Diese verleiht der Siliziumschicht eine positive Ladung.

Wenn die beiden Schichten miteinander verbunden werden, kommt es zu einem Ladungsausgleich. Elektronen aus der n-Schicht wandern in die Löcher der p-Schicht, um den Elektronenüberschuss und -mangel auszugleichen. Dadurch entsteht eine Grenzschicht, der sogenannte p-n-Übergang. Der p-n-Übergang trennt die beiden geladenen Schichten und erzeugt ein stabiles elektrisches Feld, indem er einen weiteren Ladungsausgleich verhindert.

Für die Funktion einer Solarzelle werden auf der Vorder- und der Rückseite Metallkontakte aus Aluminium oder Silber eingebaut. Diese dienen als Elektroden und ermöglichen, dass ein Stromfluss entsteht. Die Vorderseite wird zudem mit einer Antireflexionsschicht versehen.

Mehrere Solarzellen werden zu einem Solarmodul verbaut. 

Wie funktioniert eine Solarzelle? 

Die Funktionsweise einer Solarzelle ist einfach erklärt. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, lösen Lichtteilchen (Photonen) im Halbleitermaterial Elektronen. Diese angeregten Elektronen erzeugen einen elektrischen Stromfluss.

Die Funktionsweise einer Solarzelle basiert auf dem photoelektrischen Effekt. Es werden die Elektronen in den n- und p-Schichten auf ein höheres Energieniveau angehoben und dann freigesetzt. Der Grund für diese Energieerhöhung ist, dass die Elektronen Energie von Photonen aufnehmen. 

Welche Typen von Solarzellen gibt es? 

Solarzellen werden in zwei Typen unterteilt: 

• Dickschichtsolarzellen
• Dünnschichtsolarzellen

Dickschicht-Solarzellen bestehen hauptsächlich aus Silizium und werden je nach Zellenstruktur in monokristalline und polykristalline Solarzellen unterteilt. Dünnschicht-Solarzellen nutzen meist amorphes Silizium oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (kurz CIGS).

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen verwenden einkristallines Silizium und haben den höchsten Wirkungsgrad von Zelltypen. Dieser beträgt bis zu 24%. Diese Zellen werden durch das Schneiden dünner Wafer aus einem einzigen Siliziumkristall hergestellt. Der Herstellungsprozess ist komplex und aufwendig, aber der hohe Wirkungsgrad rechtfertigt den höheren Preis. Sie erreichen aktuell einen Marktanteil von rund 85%.

Monokristalline Solarmodule werden am häufigsten in Photovoltaikanlagen für Einfamilienhäuser eingesetzt. Die Dächer bieten nur eine begrenzte Installationsfläche an, sodass der höhere Wirkungsgrad zu höheren Erträgen führt. 

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen haben mehrere Siliziumkristalle und einen Wirkungsgrad von 15 bis 20%. Bei der Herstellung werden Kristalle unterschiedlicher Größe zu einem Block gegossen. Aus diesem Block werden die Wafer für die Solarzellen geschnitten. Dieses Verfahren ist bei polykristallinen Solarzellen einfacher und günstiger als bei monokristallinen.

Dünnschicht-Solarzellen

Dünnschicht-Solarzellen verwenden amorphes Silizium. Im Gegensatz zu kristallinen Zellen wird das Silizium in Dünnschichtzellen als Dampf auf ein Substrat aufgebracht. Dies ermöglicht die Herstellung von wesentlich dünneren Solarzellen. Das spart Kosten für Material und Herstellung. Dünnschichtzellen sind flexibel, leicht und kostengünstig, aber ihr Wirkungsgrad ist mit 10 bis 13% geringer.

CIGS-Solarzellen

CIGS-Solarzellen gehören zu den effizientesten Dünnschicht-Photovoltaikzellen. Sie erreichen fast den Wirkungsgrad kristalliner Siliziumzellen und sind dabei flexibel einsetzbar. Ihre Produktion ist ressourcen- und energiesparend, wodurch ihr Preis günstiger ist. Zudem sind sie widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse und leisten auch bei geringem Licht gute Arbeit.

Welche Solarzellen haben den höchsten Wirkungsgrad?

Monokristalline Solarzellen erreichen mit bis zu 24% den höchsten Wirkungsgrad aller Typen von Solarzellen, gefolgt von polykristallinen Solarzellen mit 15 bis 20%. CIGS-Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 17%, während Dünnschicht-Solarzellen nur bis zu 13% erreichen.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt, wie effektiv sie Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt.

Im Laufe der Jahre wurden verschiedene leistungssteigernde Technologien entwickelt, um den Wirkungsgrad von Solarmodulen zu erhöhen. Manche kombinieren die Vorteile mehrerer Typen von Solarzellen.

Welche zusätzlichen Technologien gibt es?

Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, werden Solarzellen mit zusätzlichen Technologien ausgestattet:

• Bifaziale Solarzellen fangen das Sonnenlicht von beiden Seiten ein. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Zelle um bis zu 20%. Bifacial-Zellen werden aus mono- oder polykristallinem Silizium hergestellt und werden in Verbindung mit anderen Technologien eingesetzt, um den Wirkungsgrad noch weiter zu erhöhen;
• Heterojunction-Solarzellen (HJT) kombinieren kristalline und Dünnschichtzellen. Ein dünner monokristalliner Siliziumwafer wird auf beiden Seiten mit amorphem Silizium beschichtet. Dadurch wird ein größerer Bereich des Sonnenlichts aufgenommen, wodurch HJT-Solarzellen einen Wirkungsgrad von bis zu 24% erreichen;
• Bei IBC-Solarzellen (Interdigitated Back Contact) werden zwei Metallkontakte auf der Vorder- und Rückseite der Zelle verwendet, um den elektrischen Strom von der Rückseite direkt aufzunehmen, ohne dass er durch Materialschichten in der Zelle fließt. Dies minimiert die Verluste und erhöht den Wirkungsgrad um bis zu 2%;
• PERC-Solarzellen reflektieren das Sonnenlicht innerhalb der Zelle, um die Stromerzeugung zu maximieren. Diese Technologie reduziert die Menge des verlorenen Sonnenlichts und erhöht den Wirkungsgrad um bis zu 2%;
• TOPCon-Solarzellen sind effizienter als herkömmliche Solarzellen und erreichen einen um bis zu 5% höheren Wirkungsgrad. Die in TOPCon-Solarzellen verwendete Technologie heißt Tunnel Oxide Passivating Contact. Diese Solarzellen sind eine Weiterentwicklung der PERC-Technologie.

Wo werden Solarzellen eingesetzt?

Solarzellen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter in Photovoltaikanlagen auf Dächern zur Stromerzeugung, in Solarparks, auf Verkehrsschildern, in Taschenrechnern, Satelliten, Raumfahrzeugen und in tragbaren Ladegeräten für mobile Geräte. Sie sind zentral für erneuerbare Energiesysteme.

Wie werden Solarzellen hergestellt?

Für die Herstellung von Solarzellen werden verschiedene Herstellungsverfahren angewendet:

• Für monokristalline Solarzellen wird Silizium geschmolzen und gereinigt. Ein Einkristall wird auf einem Stab aus der Schmelze gezogen. Dieser Prozess ist technisch anspruchsvoll. Anschließend werden aus dem Einkristall dünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten;
• Um polykristalline Solarzellen zu fertigen, schmilzt man Silizium und gießt es in quadratische Formen. Beim Abkühlen bilden sich viele kleine Kristalle (polykristallin). Die erstarrten Blöcke werden dann in dünne Platten gesägt, die als Wafer zur Herstellung der Zellen dienen;
• Dünnschichtmodule haben ein anderes Herstellungsverfahren als kristalline Solarzellen. Das Trägermaterial wie Glas wird mit nicht kristallinem Silizium bedampft. 

Was kosten Solarzellen? 

Eine monokristalline Solarzelle kostet 2 bis 5 €. Ein Solarmodul mit 60 Zellen kostet demnach zwischen 120 und 300 €. Polykristalline sind günstiger und kosten 1,5 bis 3,5€ pro Solarzelle.  

Was ist die Geschichte von Solarzellen?

Im Jahr 1839 entdeckte Alexandre Edmond Becquerel den photoelektrischen Effekt. Er führte elektrochemische Experimente mit Platinelektroden und einem Elektrolyten durch. Becquerel beobachtete eine Veränderung der Stromstärke, wenn der Behälter mit Licht bestrahlt wurde. Dies ist als externer photoelektrischer Effekt bekannt, bei dem Elektronen durch Licht aus einem Festkörper austreten.

Das Verständnis des photoelektrischen Effekts verbesserte sich mit der Zeit. Großen Anteil daran hatte Albert Einstein, der 1905 seine Lichtquantentheorie vorstellte. Hinzu kamen technologische Fortschritte, wie Jan Czochralskis Erfindung des Kristallziehverfahrens im Jahr 1916. Dieses Verfahren ermöglichte die Herstellung von hochwertigen Halbleiterkristallen.

Wohin geht die Zukunft von Solarzellen?

Wesentlich im technologischen Fortschritt von Solarzellen sind höhere Wirkungsgrade. Die vielversprechendsten Entwicklungen stellen die Perowskit- sowie Tandem-Solarzelle dar:

• Eine Perowskit-Solarzelle verwendet eine Perowskit-Struktur als Halbleiter. Sie wurde 2009 erfunden und ist günstiger, effizienter und einfacher zu verarbeiten als herkömmliche Solarzellen. Perovskite sind vielversprechend für Festkörpersolarzellen, aber sie werden noch erforscht und sind bislang nicht marktreif. Im Labor haben sie einen Wirkungsgrad von über 30% erreicht. Sie werden jedoch schnell abgebaut und halten nicht so lange wie herkömmliche Solarzellen;
• Tandem-Solarzellen stapeln mindestens zwei Teilsolarzellen übereinander. Dadurch fangen sie ein breiteres Spektrum des Sonnenlichtes ein und erzeugen eine höhere elektrische Leistung als herkömmliche Zellen. Erste Tandemsolarzellen werden von Herstellern wie QCells und Oxford PV produziert. Diese bestehen aus drei Teilsolarzellen: monokristallines Silizium, amorphes Silizium und Perowskit. Sie erreichen Wirkungsgrad von über 30%.

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