Alles über Solarzellen in 2023 (inkl. Top 10 Bestenliste)

Was ist eine Solarzelle - einfach erklärt

Eine Solarzelle, auch Photovoltaikzelle genannt, wandelt Sonnenlicht in elektrische Energie um. Der Umwandlungsprozess von Sonnenlicht in elektrische Energie wird als Photovoltaik (photovoltaisches Effekt) bezeichnet. Die Solarzelle ist ein elektrisches Bauteil und die kleinste Einheit des Solarmoduls. Es gibt viele verschiedene Arten von Zelltypen.

Häufig wird der Begriff Solarzelle auch für Solarmodule verwendet. Ein Solarmodul besteht aus vielen Solarzellen. Die Anzahl der Solarzellen macht die Größe des PV-Moduls aus. 

Und das erwartet Sie in unserem Artikel:

• Wer ist der Erfinder der Solarzelle?
• Wie funktioniert eine Solarzelle?
  
• Welche Arten von Solarzellen gibt es?
  
• Herstellung einer Solarzelle
  
• Welche Leistung haben Solarzellen?
  
• Wie lange halten Solarzellen?
  
• Solarzellen Größe
  
• Ausrichtung von Solarzellen
• Energiebilanz von Solarzellen
• Solarzellen in Parallel oder in Reihe schalten?
• Welche Hersteller von Solarzellen gibt es?
  
• Wo werden Solarzellen eingesetzt?
  
• Der Wirkungsgrad von Solarzellen
  
• Was kosten Solarzellen?
  

Wer ist der Erfinder der Solarzelle?

Die erste Solarzelle wurde 1954 durch Zufall in Laboratorien der amerikanischen Firma Bell gebaut. Als Erfinder der Solarzelle gelten Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller und Gerald Pearson. Sie beobachteten, dass ein auf siliziumbasierter Gleichrichter im Sonnenlicht mehr Strom lieferte. Diese erste Solarzelle besaß einen Wirkungsgrad von rund 4%.

Bereits 1958 wurden Solarzellen erstmals angewendet, um elektrische Energie zu erzielen. Der Satellit Vanguard I wurde mit Solarzellen ausgestattet. Diese luden erfolgreich den Akku des Satelliten auf. Eine direkte Versorgung mit Strom funktionierte noch nicht. Die Zellen erzielten bereits einen Wirkungsgrad von 10,5% und der Satellit war ganze 8 Jahre einsatztauglich.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Sobald Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, regt das die enthaltenen Elektronen an. Diese fangen an, sich zu bewegen. Mithilfe eines elektrischen Feldes in den Zellen werden die Elektronen in unterschiedliche Richtungen gelenkt. So entsteht elektrischer Strom, der anschließend durch Metallkontakte an beiden Seiten der Zelle abgeleitet wird.

Woraus bestehen Solarzellen?

Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial, in der Regel Silizium (Quarzsand). Dieses Material hat unter der Zufuhr von Wärme eine erhöhte Leitungsfähigkeit. Das Silizium wird gereinigt und erhält eine Kristallstruktur. Je nach Solarzellentyp werden die Siliziumkristalle anders bearbeitet. Es werden zwei Siliziumschichten benötigt. Dazwischen liegt eine Grenzschicht für die Elektronenbewegung.

Um die Elektronen in unterschiedliche Richtungen zu leiten, wird eine Siliziumschicht positiv und eine negativ.  Der positiven Schicht (p-dotierte Schicht) wird Phosphor beigemischt und der negativen (n-dotierte Schicht) Bor. Die Grenzschicht in der Mitte bildet durch die Elektronenbewegung ein elektrisches Feld.

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen. Die am meisten verwendeten Zellen sind waferbasierte Zellen und Dünnschichtzellen. Wafer sind dünne Scheiben, die aus mono- oder polykristallinen Silizium Kristallen geschnitten werden. Dünnschichtzellen werden dagegen nicht geschnitten, sondern das Silizium wird auf eine Trägerschicht aufgedampft. Zusätzlich gibt es noch organische und amorphe Solarzellen.

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen bestehen aus einkristallinem Silizium. Sie haben mit bis zu 22% den höchsten Wirkungsgrad. Für monokristalline Zellen werden dünne Scheiben (Wafer) aus einem einzigen Siliziumkristall geschnitten. Der aufwendige Herstellungsprozess und der hohe Wirkungsgrad machen sie zu den teuersten Solarzellen. Die erzielten PV-Erträge rechtfertigen jedoch die Preise. 

Monokristalline Solarmodule findet man vermehrt bei Photovoltaikanlagen auf Einfamilienhäusern. Dort sind die Dachflächen in der Regel klein und die Zellen können ihren hohen Wirkungsgrad ausspielen. 

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen und haben einen Wirkungsgrad von rund 15 bis 20%. Statt eines großen Siliziumkristalls entstehen im Herstellungsprozess mehrere unterschiedlich große Kristalle, die in einen Block gegossen werden. Von diesem werden Wafer für die Solarzellen abgeschnitten. Der Prozess ist einfacher und dementsprechend sind die Solarzellen auch günstiger.

Organische Solarzellen

Organische Solarzellen bestehen aus Kunststoffen (Kohlenwasserstoff-Verbindungen). Sie werden auch Plastiksolarzellen genannt. In Laboren wurden Einzelanfertigungen hergestellt, die einen Wirkungsgrad von 17,3% erzielten. Die Material- und Herstellungskosten sind günstig. Organische Solarzellen sind deshalb ein aktuelles Forschungsthema. Auf dem Markt sind sie noch nicht erhältlich.

Dünnschichtsolarzellen

Dünnschichtsolarzellen bestehen aus amorphen Silizium. Im Gegensatz zu kristallinen Zellen wird bei Dünnschichtzellen das Silizium auf einen Träger aufgedampft. So lassen sich deutlich dünnere Solarzellen herstellen. Dies spart Kosten für das Material und die Herstellung. Dünnschichtzellen sind flexibel, leicht und günstig, haben jedoch einen niedrigeren Wirkungsgrad von 10 bis 13%.

Amorphe Solarzellen

In amorphen Solarzellen ist das Silizium gestaltlos, das heißt, es ist nicht kristallin. Das Silizium wird in etwa 3 Mikrometer dünnen Schichten auf einen Träger aufgedampft oder aufgedruckt. Der Herstellungsprozess ist günstig, jedoch ist der Wirkungsgrad der Zellen auch geringer. Amorphe Zellen kommen bei den schlanken Dünnschichtsolarzellen zum Einsatz. 

Herstellung einer Solarzelle

Für die Herstellung von Solarzellen wird das Silizium geschmolzen und gereinigt. Dann wird ein Stab (monokristallinen Zellen) aus der Masse gezogen oder ein Block (polykristallinen Zellen) gegossen. Von diesem werden dünne Scheiben (Wafer) abgeschnitten. Die Wafer werden mit Phosphor und Bor dotiert, um negativ bzw. positiven zu werden. 

Die Größe der Solarzellen ist durch das Herstellungsverfahren begrenzt. Wafer können in einer Größe von 150, 200 oder 300 mm geschnitten werden.

Welche Leistung haben Solarzellen?

Die durchschnittliche Leistung einer Solarzelle liegt bei 50 Wp bis 350 Wp. Wp bedeutet Watt-Peak und gibt die maximale Leistung der Solarzelle an. Die Leistung der Solarzelle wird dabei pro m² angegeben. Je nach Material und Herstellungsprozess unterscheidet sich der auch die maximal mögliche Leistung. 

Wie lange halten Solarzellen?

Kristalline Solarzellen haben eine Lebensdauer von bis zu 40 Jahren. Sie sind auch die am häufigsten eingesetzten Solarzellen. Amorphe Solarzellen in Dünnschichtmodulen halten in der Regel 20 bis 25 Jahre lang. Die Garantie der meisten Hersteller fällt ebenfalls in die Zeitspanne von 20 bis 40 Jahren.

Solarzellen Größe

Die Größe einer einzelnen Solarzelle liegt bei 150 mm bis 300 mm im Durchschnitt. Die Solarmodulgröße hängt davon ab, wie viele Solarzellen in einem Modul verbaut sind. Die meisten Module haben 60 Solarzellen und sind häufig 156 mm x 156 mm groß. Das ergibt ein Modul von 1700 mm x 1000 mm.

Einheitliche Standardgrößen gibt es nicht. In der Regel haben Solarmodule aber 36 bis 72 Solarzellen.

Ausrichtung von Solarzellen

In Deutschland wird der maximale Solarertrag bei einer direkten Ausrichtung nach Süden erzielt. Die Solarzellen sollten dabei einen Neigungswinkel zwischen 30° und 40° haben. Eine Abweichung der Ausrichtung nach Ost oder West von bis zu 50°, erzielt immer noch einen sehr hohen Ertrag von rund 94%. 

In der nachfolgenden Tabelle können Sie sehen, dass die Südausrichtung das Optimum darstellt. Dennoch können Sie mit einer Nordausrichtung und einer geringen Modulneigung immer noch gute Erträge erzielen. 

Die Tabelle zeigt die Ausrichtung der PV-Module im Verhältnis zur Modulneigung.

Energiebilanz von Solarzellen

Die Energiebilanz von Solarzellen unterscheidet sich je nach Art und Herstellungsweise. In der Regel amortisieren sich Solarzellen energetisch in zwei Jahren komplett. Die Photovoltaikanlage als Komplettpaket inklusive Montage und Installation amortisiert sich energetisch in 3-5 Jahren. Danach wird die Energiebilanz der PV-Anlage positiv.  

Solarzellen in Parallel oder in Reihe schalten?

Bei mehreren Solarmodulen muss entscheiden werden, ob diese in Reihe oder parallel verschaltet werden. Für eine Reihenschaltung sollten die Zellen ungefähr den gleichen Strom aufweisen. Bei einer Parallelverschaltung sollten die PV-Module die gleiche Spannung haben. Häufig wird eine Kombination aus Parallel- und Reihen-Verschaltung gewählt.

Eine Reihenschaltung führt dazu, dass die Spannungen addiert werden. Das bedeutet, dass die Solarmodule eine höhere Gesamtspannung haben. Wird aber eines der Module verschattet, wird die Reihe unterbrochen und es wird kein Strom mehr erzeugt.

Die Parallelschaltung der Module führt dazu, dass die Solarmodule eine höhere Gesamtstromstärke haben. Werden bei der Parallelschaltung einige Module verschattet, können die anderen Module immer noch Strom erzeugen. Die Gesamtstromstärke wird nur niedriger. 

Welche Hersteller von Solarzellen gibt es? 

Zu den größten Herstellern von Solarzellen weltweit gehören:

• LONGi, China
• Tongwei, China
• JA Solar, China
• Aiko, China
• Trina Solar, China
• JinkoSolar, China
• Canadian Solar, China
• First Solar, USA
• Suntech, China

Wo werden Solarzellen eingesetzt? 

Solarzellen werden in Solarmodulen verbaut, die auf dem Haus- oder Garagendach, an der Fassade, im Garten, auf dem Wohnmobil oder sogar im Gebäude integriert verbaut werden.

Solarzellen auf dem Dach

Solarzellen können auf dem eigenen Dach als Aufdach- oder Indach-Photovoltaikanlage installiert werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Zellen auch in solaren Dachziegeln zu integrieren und verbauen. Eine Installation der Solarmodule ist nicht nur bei Neubauten möglich, sondern auch als Nachrüstung im Bestandsbau. 

Indach-Photovoltaik

Bei einer Indach-Photovoltaikanlage werden die Solarmodule direkt in die Dachhaut integriert. Die Solarzellen dienen nun neben der Stromerzeugung auch als Dacheindeckung. Indach-Photovoltaik ist aufgrund ihrer ästhetischen Optik sehr beliebt. Ihr Vorteil ist außerdem, dass sie weniger windanfällig ist. Nachteil sind dafür die höheren Kosten im Gegensatz zur Aufdachvariante.

Aufdach-Photovoltaik

Bei einer Aufdach-Photovoltaik werden die Solarmodule auf die bestehende Dacheindeckung aufgesetzt. Ein kleiner Abstand zwischen dem Dach und den PV-Modulen wird zur Hinterlüftung gelassen. Die Solarmodule werden in Montageschienen eingesetzt und mit Dachhaken befestigt. Eine Aufdach-Montage ist die gängigste Montageart. Die Montage ist preiswert und einfach umsetzbar. 

Dachziegeln mit Solarzellen

Dachziegel, die gleichzeitig Solarzellen sind, werden auch Solardachziegel oder Solardachpfannen genannt. Diese werden anstatt normaler Dachziegel verbaut. Der Wirkungsgrad der Solarziegel ist jedoch geringer als bei normalen Solarzellen. Abgesehen davon sind die Ziegel teuer in der Anschaffung. Solarziegel werden deshalb meist aus ästhetischen Gründen oder im Denkmalschutz verwendet.

Solarfassade

Eine Solarfassade wird häufig auch als gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) bezeichnet. Die Solarmodule werden dabei direkt in das Gebäude integriert. Neben der Stromproduktion übernehmen sie auch die schützenden Funktionen der Gebäudehülle. Eine Solarfassade ist aber auch mit vorgehängten Photovoltaikmodulen möglich, die nicht in die Gebäudehülle integriert werden.

Solarzellen auf dem Garagendach

Solarzellen können auch auf dem Garagendach oder dem Carport installiert werden. Dies geht schnell und ohne großen Aufwand. Die Module werden in der Regel aufgeständert und beschwert, damit sie dem Wind standhalten. Ein E-Auto oder andere elektrische Geräte können so geladen werden. Eine Anbindung ans Stromnetz ist meistens nicht nötig.

Auto mit Solarzellen

Autos mit integrierten Solarzellen sind derzeit ein beliebtes Forschungsobjekt. Die Idee ist, die Reichweite des Elektroautos zu erhöhen. Eine andere Möglichkeit, Solarenergie mobil zu nutzen, ist mit PV-Modulen auf dem Dach eines Wohnmobils oder Campingwagens. Die passenden Solarmodule sind günstig und einfach selbst zu installieren.

Solarzellen für Balkon

Solarzellen für den Balkon gibt es als Balkon-Solaranlage. Diese Solaranlagen werden direkt in die Brüstung oder das Geländer integrierte oder können als Überdachung dienen. Balkonanlagen bestehen häufig aufgrund ihrer ansprechenden Optik aus Dünnschichtmodulen aus Glas. Die Module werden an einen Wechselrichter angeschlossen und der Strom über eine Einspeise-Steckdose ins Hausnetz geleitet.

Solarzellen für Gartenhaus

Solarzellen können genutzt werden, um ein Gartenhaus mit Strom zu versorgen. Die Solarmodule werden dafür auf dem Dach des Gartenhauses oder einer freien Fläche im Garten aufgestellt. In der Regel sind solche PV-Anlagen Inselanlagen und nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Eine autarke Versorgung ist so möglich.

Der Wirkungsgrad von Solarzellen

Der Wirkungsgrad von Solarzellen hängt von der Art der Zellen ab. Monokristalline Solarzellen haben mit bis zu 22% den höchsten Wirkungsgrad. Bei Polykristallinen Solarzellen liegt er zwischen 15 und 20%. Dünnschichtzellen erreichen nur einen Wirkungsgrad von 13 bis 18%.

Bei den Werten handelt es sich um Laborbedingungen. Die Laborbedingungen, auch STC (Standard Test Conditions) genannt, gehen von 1000 Watt Einstrahlung und 25 Grad Zelltemperatur aus. Die realen Wirkungsgrade sind deutlich niedriger. Verschattungen, höhere Temperaturen und schlechte Lichtverhältnisse reduzieren ihn. 

Die besten und effizientesten Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad (Tabelle) 

Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit einer Auswahl von monokristallinen Solarzellen mit dem höchsten Wirkungsgrad. 

Und wenn Sie auf der Suche nach den besten Solarmodulen sind, dann schauen Sie sich unseren Test und Vergleich an

Was kosten Solarzellen?

Die Kosten für einzelne Solarzellen unterscheiden sich von Hersteller zu Hersteller. Die Kosten für ganze Solarmodule liegen jedoch zwischen 120 und 340 € pro Kilowatt-Peak Leistung, wobei monokristalline Module mit Preisen von 220 bis 340 € die teuersten sind. Polykristalline Module gibt es ab 150 bis 250 €. Dünnschichtmodule sind am günstigsten. Hier sollten Sie mit Kosten von 120 bis 220 € pro kWp rechnen. 

Fazit

Eine Solarzelle ist das kleinste Bauteil einer Solaranlage. Sie ist direkt für die Umwandlung von Sonnenlicht in Gleichstrom verantwortlich. Die am häufigsten verwendete Solarzellenart besteht aus dem Halbleitermaterial Silizium (ein Quarzsand). Halbleitermaterialien haben bei der Zufuhr von Energie eine bessere Leitfähigkeit. Diese Energiezufuhr ist bei Solarzellen das Sonnenlicht.

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