Solarzelle

Die Ursprünge der Solarzelle reichen weit in die Geschichte zurück. Die ersten Solarzellen gab es bereits im Jahr 1883 – den photovoltaischen Effekt entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel sogar schon im Jahr 1839. Praktisch kamen Solarzellen jedoch erst 1954 mit Silizium als Halbleiter in den USA zum Einsatz. Deren damaliger Wirkungsgrad von gerade einmal sechs Prozent konnte bis heute deutlich weiterentwickelt werden.

Inhalt dieser Seite
  1. Das Wichtigste in Kürze
  2. Was ist eine Solarzelle?
  3. Wie funktioniert eine Solarzelle?
  4. Welche Arten von Solarzellen gibt es?
  5. Wie viel Strom produziert eine Solarzelle?
  6. Verwandte Themen
  7. Weiterführende Links

Das Wichtigste in Kürze

  • Eine Solarzelle ist einer der wichtigsten Bestandteile einer Photovoltaikanlage, die Sonnenenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom nutzt.
  • Es gibt unterschiedliche Ausführungen von Solarzellen. Zumeist bestehen die darin verwendeten Halbleiter aus Silizium.
  • Zu den Arten von Solarzellen gehören monokristalline Solarzellen, polykristalline Solarzellen und Dünnschichtmodule.

Was ist eine Solarzelle?

Mit Solarzellen – auch photovoltaische Zellen genannt – ist es möglich, das Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln. Sie sind das Kernstück einer Photovoltaikanlage. Eine Solarzelle besteht aus der oberen, negativ dotierten Schicht (n-Schicht), der unteren, positiv dotierten Schicht (p-Schicht), einer pn-Zwischenschicht sowie einem Minus- und Pluspol. Sowohl die p- als auch die n-Schicht ist mit Fremdatomen wie Bor oder Phosphor versetzt. Insgesamt ist eine Solarzelle weniger als einen halben Zentimeter dick und besitzt eine Standardgröße von etwa sechs Zoll.

Da eine Zelle allein nur recht wenig Energie aufbringen kann, kommen in der Regel etwa 60 dieser Solarzellen in einer Anlage zum Einsatz. Gemeinsam bilden sie ein Photovoltaik- oder Solarmodul. Zumeist sind die einzelnen Solarzellen eines Solarmoduls oder -panels auf einem Aluminiumrahmen angeordnet und durch eine Schicht aus Glas bedeckt. Die Standardmodulgröße von 1640x1000 Millimetern ist ein Richtwert, der je nach Modulart und Hersteller variieren kann.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Die p- und n-Schicht einer Solarzelle stellen die sogenannten Halbleiterschichten dar. In den meisten Fällen bestehen sie aus Silizium, Indium oder Gallium. Während Metalle Elektronen besitzen, die dafür sorgen, dass elektrischer Strom problemlos transportiert wird, besitzen die Halbleiter in einer Solarzelle keine Elektronen, die sich frei bewegen können. Damit sie dennoch in der Lage sind, elektrischen Strom zu leiten, müssen die fest an ihren Atomen verankerten Elektronen gelöst werden, die Halbleiter also leitfähig werden. Dafür ist ein optischer Reiz notwendig: das Sonnenlicht.

Trifft das Sonnenlicht in einem ganz bestimmten Winkel auf die Solarzelle, entsteht elektrischer Strom. Im falschen Winkel ist die Photovoltaikanlage nicht effizient genug, um damit Strom umwandeln zu können. Die bestmögliche Ausrichtung einer Solarzelle ist nach Süden sowie in einer 30-Grad-Neigung – zum Beispiel auf einem Dach.

Damit in der pn-Zwischenschicht Strom fließen kann, ist es außerdem wichtig, die beiden anderen Schichten künstlich zu verunreinigen. Dieser Vorgang nennt sich Dotierung. Er stellt sicher, dass an der Zwischen- oder Übergangsschicht durch das Wandern der einzelnen Elektronen zwischen den Schichten ein permanentes elektrisches Feld entsteht. Durch Metallkontakte auf der Ober- und Unterseite der Solarzelle, die durch ein Kabel miteinander verbunden sind, können die Elektronen ungehindert fließen. Auf diese Weise entsteht ein elektrischer Stromkreis. Zunächst handelt es sich bei der erzeugten elektrischen Spannung um Gleichstrom, den ein in die Anlage integrierter Wechselrichter in Wechselstrom umwandelt. Dieser gelangt schließlich in das häusliche Stromnetz.

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen, dazu gehören unter anderem die folgenden:

  • Monokristalline Solarzellen: Sie bestehen aus einem großen Kristall. Ihren hohen Wirkungsgrad (Effizienz) von etwa 19 Prozent erzielen sie dadurch, dass sie aus einem großen Siliziumkristall bestehen. Das macht sie jedoch recht teuer in ihrer Herstellung.
  • Polykristalline Solarzellen: Sie bestehen aus vielen einzelnen Kristallen, an deren Verbindungsstücken es zu Leistungseinbußen kommen kann. Ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 15 Prozent.
  • Dünnschichtmodule: Sie besitzen eine dünne Schicht aus Silizium, die auf der Solarzelle aufliegt. Diese Form der Module ist am günstigsten, aber mit einem Wirkungsgrad von sieben Prozent auch am ineffektivsten. Die relativ geringe Effizienz muss durch die Masse ausgeglichen werden.

Bei sogenannten organischen Halbleitern handelt es sich um Dünnschichtzellen, die zusätzlich mit Kohlenstoff versetzt sind. Ihr Vorteil: Sie sind günstig und besonders flexibel in ihrer Form. Zwar ist der Wirkungsgrad organischer Halbleiter – zum Beispiel in Form einer Folie – deutlich geringer, kann aber in der Masse ausgeglichen werden. Sie sind leicht und nahezu überall anbringbar.

Wie viel Strom produziert eine Solarzelle?

Wie viel Strom eine Solarzelle oder das gesamte Panel erzeugt beziehungsweise wie hoch ihr Wirkungsgrad ist, hängt vor allem von der Dauer der Sonneneinstrahlung, der Ausrichtung und dem Standort der Photovoltaikanlage ab. Üblicherweise erfolgt die Angabe der elektrischen Leistung in Kilowatt Peak (kWp), also der möglichen Spitzenleistung, die ein Solarmodul unter optimalen Bedingungen erreichen kann. In der Realität schwankt dieser Wert jedoch. Ein Solarmodul mit 60 Sechs-Zoll-Solarzellen erzeugt beispielsweise bis zu 275 kWp.

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