Solarzelle: Aufbau, Funktion und Arten

Kai Janßen
Zuletzt aktualisiert: 19/11/2021

Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle (auch Photovoltaikzelle genannt) ist ein elektronisches Bauteil einer PV-Anlage, das Sonnenstrahlen in elektrische Energie mithilfe des photovoltaischen Effekts umwandelt. Sie stellen die „Kraftwerke“ eines Solarmoduls dar. Die Zellen sind dabei innerhalb des Moduls als schwarze oder blaue Einheiten zu erkennen. 

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut? 

Das Herzstück einer Solarzelle stellt ein Halbleiter, zumeist Silizium, dar. Dort findet der sogenannte photoelektrische Effekt, bei dem die Energie des Lichts zu nutzbarem elektrischem Strom umgewandelt wird, statt.

Um den im Halbleiter erzeugten Strom nutzen zu können, befinden sich ober- und unterhalb des Halbleiters eine positive und negative Elektrode. An der Oberseite der Solarzelle befindet sich darüber hinaus eine schwarze Antireflexionsschicht.

Durch diese Schicht ist die Solarzelle zum einen vor Verschmutzung geschützt. Zum anderen erhöht die Antireflexionsschicht den Wirkungsgrad der Solarzelle, da sie die Verluste durch eine Reflexion des einfallenden Lichts minimiert.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle determiniert die Effizienz, mit der aus dem einfallenden Sonnenlicht Strom erzeugt werden kann. 

Mehr lesen

Der Halbleiter einer Solarzelle auf Siliziumbasis besteht aus drei Schichten. Zwei dotierte Schichten, die sich in ihrer Ladung unterscheiden, werden dabei durch eine Grenzschicht voneinander getrennt.

In der n-dotierten Schicht ist dem Silizium etwas Phosphor beigemischt. Dadurch verfügt diese Schicht über überschüssige Elektronen und ist somit negativ geladen. Der p-dotierten Schicht hingegen wird im Herstellungsprozess etwas Bor beigemischt. Deshalb ist sie positiv geladen. Ihr fehlen also Elektronen im Vergleich zur Anzahl an Protonen.

Aufbau-solarzelle

Aufbau einer Solarzelle

Und wie groß ist so eine Solarzelle? 

Eine Solarzelle ist ca. 15x15cm groß, wobei die Größe vom Herstellungsverfahren abhängt. Mehrere Einzelzellen werden zu einem Solarmodul zusammengefasst. Die meisten Solarpaneele bestehen dabei aus 36 bis 72 solcher Solarzellen. Ein durchschnittlichen PV-Modul hat eine Größe von etwa 1700 mm x 1000 mm.   

Wie funktioniert eine Solarzelle? 

Die Funktionsweise einer Solarzelle ist einfach erklärt. Das Sonnenlicht enthält energiegeladene Photonen. Treffen diese auf das Silizium in der Solarzelle, lösen sie daraus Elektronen heraus. Zurück bleiben positiv geladene „Löcher“.

Die negativ geladenen Elektronen wandern dann an die Oberfläche des Siliziums, während die Löcher zu dessen Unterseite wandern. Die Elektronen werden an der Oberseite durch die Elektrode und entsprechende Kabel zum Verbraucher geleitet. Dort geben sie Energie ab, die dadurch nutzbar gemacht wird.

Im Anschluss wandern sie über weitere Kabel und die zweite Elektrode zur Unterseite der Solarzelle. Somit schließt sich der Kreislauf.

Da eine einzelne Solarzelle nur sehr wenig Strom produziert, werden mehrere dieser Zellen zu einem Solarmodul zusammengeschaltet. Zumeist besteht eines dieser PV-Module aus ungefähr 60 Solarzellen.

Solarmodul mit Solarzellen auf dem Dach

Solarmodule bestehen aus Solarzellen

Die genaue Verschaltung der einzelnen Solarzellen in einem Modul unterscheidet sich dabei je nach Bautyp und vorgesehenem Einsatz. Denn wenn eine Solarzelle durch Beschattung weniger Strom produziert, verringert sich auch die Leistung aller direkt mit ihr verbundenen anderen Zellen. Dies ist damit zu erklären, dass das schwächste Glied der Kette den Elektronendurchfluss begrenzt. Dieser Sachverhalt ist analog zu einem abgeknickten Wasserschlauch, bei dem auch die Knickstelle den Durchfluss begrenzt. 

Der mittels Solarzellen in einem Solarmodul gewonnene Strom ist allerdings noch nicht direkt nutzbar, da es sich um Gleichstrom handelt. Um Wechselstrom zu erhalten, wird deshalb ein Wechselrichter zwischengeschaltet. Um Kosten zu sparen, werden alle verbauten Solarpaneele an einen einzigen Wechselrichter angeschlossen. Von dort wird der Strom dann entweder ins öffentliche Stromnetz oder ins Hausstromnetz für den direkten Verbrauch geleitet.

Welche Arten von Solarzellen gibt es?  

Für Privathaushalte werden derzeit am Markt fünf unterschiedliche Arten von Solarzellen angeboten: 

  • Monokristalline Solarzellen
  • Polykristalline Solarzellen
  • Dünnschichtzellen
  • Organische Solarzellen
  • PERC-Solarzellen

Diese grundlegenden Typen unterscheiden sich bezüglich ihrer Vor- und Nachteile und ihres Wirkungsgrads. Im Nachfolgenden beschreiben wir alle Typen ausführlich. 

Monokristalline und polykristalline Solarzellen sind die beiden für Privatanwender bedeutsamsten Zelltypen. Sie unterschieden sich insbesondere in ihrem Wirkungsgrad.

Mehr lesen

Monokristalline Zellen  

Wie der Name dieses Zelltyps verrät, bestehen monokristalline Zellen aus einkristallinem Silizium. Im Produktionsprozess wird aus flüssigem Silizium ein stabförmiger Kristall gezogen. Diese Stäbe werden im Anschluss in extrem feine Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten. Jeder dieser Wafer stellt später den Kern einer Solarzelle dar.

Monokristalline Zellen sind besonders dunkel gefärbt. Die Form dieser Zellen entspricht dabei der Form des Kristallstabs und ist deshalb oft nicht eckig. Dies liegt daran, dass der Kristallstab vor dem Abtrennen der Wafer an den Seiten zugeschnitten wird.

Durch ihren hohen Siliziumanteil sind monokristalline Zellen die effektivste Form der Photovoltaik. Der Wirkungsgrad beträgt dabei um die 20 Prozent. Da der Herstellungsprozess aber sehr aufwendig und teuer ist, werden monokristalline Zellen bevorzugt eingesetzt, wenn mit einem hohen Anteil an direkter Sonneneinstrahlung gerechnet werden kann. Denn die dann erzielbaren Energiegewinne rechtfertigen den hohen Anschaffungspreis.

Monokristalline Solarzellen sind die effizienteste Art von Solarzellen auf dem heutigen Markt. Sie sind teuer, verfügen jedoch über eine hohen Wirkungsgrad.

Mehr lesen

Polykristalline Solarzellen  

Im Gegensatz zu monokristallinen Zellen bestehen polykristalline Solarzellen aus mehreren Siliziumkristallen. Im Herstellungsprozess wird aus flüssigem Silizium ein Siliziumblock gegossen. Beim Abkühlen bilden sich dabei innerhalb dieses Blocks unterschiedlich große Siliziumkristalle aus.

Von dem Siliziumblock werden dann, analog zu monokristallinen Solarzellen, extrem dünne Wafer abgeschnitten. Diese bilden die eigentliche Silizium Solarzelle. Da die Siliziumblöcke quadratisch oder rechteckig sind, besitzen die fertigen polykristallinen Solarzellen eine entsprechende Form. 

Durch das Gießen der Siliziumblöcke ist der Herstellungsprozess deutlich einfacher und weniger aufwendig als bei monokristallinen Zellen. Polykristalline Zellen sind dadurch erheblich billiger.

Darüber hinaus wird durch den geringeren Energiebedarf bei ihrer Produktion weniger Kohlenstoffdioxid freigesetzt, wodurch sich ihre Umweltbilanz verbessert.

Da das verwendete Silizium bei polykristallinen Zellen weniger rein als das von monokristallinen Zellen ist, ist ihr Wirkungsgrad mit 15 Prozent auch deutlich geringer. Polykristalline Solarzellen werden trotzdem wegen ihres sehr günstigen Preis-Leistungs-Verhältnis gerne eingesetzt.

Aufgrund ihrer guten Verfügbarkeit am Markt und des geringen Preises erfreuen sich polykristalline Solarzellen einer großen Beliebtheit und nehmen derzeit einen Marktanteil von circa 70% ein.

Mehr lesen

Dünnschichtzellen 

Diese Zelle bestehen aus amorphem Silizium. Das bedeutet, dass keine kristalline Struktur vorliegt.

Im Produktionsprozess erfolgt auch kein Schneiden eines Wafers. Vielmehr wird lediglich eine deutlich dünnere Schicht von Silizium aufgetragen. Hierdurch werden im Produktionsprozess Rohstoffe und damit Kosten eingespart.

Durch den geringeren Materialaufwand verbessert sich zusätzlich die Ökobilanz. Ein weiterer Vorteil von Dünnschichtzellen besteht in ihrem geringen Gewicht. Hierdurch können entsprechende Solarpaneele auch an Dächern oder Wänden mit geringer Traglast montiert werden.

Allerdings verfügen Dünnschichtmodule über einen geringeren Wirkungsgrad als mono- und polykristalline Solarzellen.

Des Weiteren gibt es auch noch organische SolarzellenPERC-Solarzellen und bifaziale Solarzellen

Fazit 

Eine Photovoltaik Anlage besteht aus vielen einzelnen Solarzellen. Das Funktionsprinzip aller dieser Zellen ist vergleichbar und beruht auf dem sogenannten photoelektrischen Effekt.

In den allermeisten Solarzellen ist als Halbleiter Silizium verbaut. Der genaue Aufbau dieses Halbleiters ist dabei zwischen mono- und polykristallinen und Dünnschicht-Solarzellen unterschiedlich.

Während polykristalline Zellen über ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis verfügen, werden die hochpreisigen monokristallinen Solarzellen bevorzugt bei voller Sonneneinstrahlung verwendet. Dünnschichtzellen hingegen sind durch den geringen Materialaufwand besonders günstig und umweltfreundlich in Ihrer Herstellung.

>