Solarzellen: Aufbau, Funktion und Verwendung

Die meisten der heute erhältlichen Solarzellen bestehen aus kristallinem Silizium, das in einem mehrstufigen Prozess hergestellt wird. Gewonnen wird zunächst Rohsilizium durch Reduktion von Siliziumdioxid (Quarzsand oder Quarzkies) bei Temperaturen von etwa 2.000 Grad Celsius.

Das entstandene Rohsilizium wird dann durch chemische Reinigungsprozesse zu Solarsilizium weiterverarbeitet. Solarsilizium erreicht eine Reinheit von 99,99 %, was für einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Solarzellen wichtig ist. 

Solarzellen kommen heutzutage in vielen Anwendungsbereichen vor, zum Beispiel in Taschenrechnern, Armband- oder Parkuhren, in Beleuchtungselementen oder kleinen Haushaltsgeräten, Kleidungsstücken und insbesondere auch in der Raumfahrttechnik – beispielsweise in Satelliten oder Raumsonden. 

Am bekanntesten sind sie jedoch aufgrund der Verwendung in Solarmodulen. Je nach Größe besteht ein Solarmodul aus Dutzenden von kleinen Solarzellen, die untereinander elektrisch verbunden werden. Eine typische Photovoltaik-Dachanlage besteht wiederum aus mehreren Solarmodulen. 

In den Solarzellen selbst wird mithilfe des photoelektrischen Effekts Sonnenenergie in Solarstrom umgewandelt. Das Sonnenlicht setzt dabei Elektronen im Inneren der Solarzellen in Bewegung, sodass ein Stromfluss entsteht. Um zu verstehen, wie eine Solarzelle funktioniert, ist es wichtig, zunächst den Aufbau von Solarzellen zu verstehen.

Grundsätzlich besteht eine Solarzelle aus zwei Schichten, in der Regel Siliziumschichten. Diese beiden Schichten werden unterschiedlich dotiert. Das bedeutet, man setzt den beiden hochreinen  Schichten weitere Materialien zu, die eine größere beziehungsweise kleinere Anzahl an Außenelektronen aufweisen als Silizium (4 Außenelektronen). Häufig kommen Phosphor (mit 5 Außenelektronen) und Bor (mit 3 Außenelektronen) zum Einsatz.

Schichten mit Phosphorbeimischung weisen einen Überschuss an Elektronen auf. Sie werden als negativ dotiert bzw. als n-Schichten bezeichnet. Im Gegensatz dazu herrscht in der Silizium-Bor-Schicht ein Mangel an Elektronen. Hier entstehen „Löcher“ mit positiver Ladung. Diese Schicht ist positiv dotiert und wird p-Schicht genannt. 

Dort, wo die beiden Schichten aufeinandertreffen, befindet sich die sogenannte Grenzschicht, die essenziell für die Funktionsweise der Solarzelle ist. In der Grenzschicht kommt es zu einem Ladungsausgleich, weil die Boratome überschüssige Elektronen aufnehmen. So entwickelt sich ein stabiles elektrisches Feld. Solange kein Sonnenlicht auf die Solarzellen und damit auf die neutrale Grenzschicht trifft, fließt kein elektrischer Strom.

Fällt auf die Grenzschicht der Solarzelle Sonnenlicht, werden dort die „Löcher“ und Elektronen voneinander getrennt. Unter Wirkung des Feldes werden die Elektronen zum positiven Pol, die „Löcher“ zum negativen Pol bewegt. 

Die Elektronen werden über ein leitendes Material (etwa Aluminium oder Silber) abgeleitet und fließen über eine elektrische Verbindung (ein Kabel) zur n-Schicht, wo es wieder zum Ladungsausgleich kommt. 

Es entsteht ein Stromkreislauf, der so lange bestehen bleibt, wie die Sonne scheint und durch die Solarenergie neue Ladungsträger in der Grenzschicht erzeugt werden.

Wenn Sonnenenergie auf Solarzellen trifft, wird nur ein Teil davon tatsächlich in Solarstrom umgewandelt. Wie groß dieser Anteil ist, wird mithilfe des Wirkungsgrads (in Prozent) angegeben. Solarzellen, die für die Module in Dach-PV-Anlagen verwendet werden, erreichen üblicherweise einen Wirkungsgrad von etwa 20 %.

Der Wirkungsgrad ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal für die Auswahl von Solarzellen. Um eine Vergleichbarkeit zu schaffen, wird der Wirkungsgrad unter bestimmten Normbedingungen gemessen. 

Mehr über diese Standard-Testbedingungen (Standard Test Conditions) erfahren Sie in unserem Ratgeber zum Thema kWh (Kilowattstunden) vs. kWp (Kilowatt-Peak).

Die Forschung im Bereich der Solarzellen schreitet schnell voran. Mittlerweile gehören die leistungsstarken PERC-Zellen zum Standard für Dach-PV-Anlagen, während bifaziale Solarzellen insbesondere bei Freiflächenanlagen hohe Mehrerträge bewirken. 

Intensiv wird an sogenannten Tandemzellen geforscht, die verschiedene photoaktive Schichten miteinander kombinieren und so das Sonnenlicht-Spektrum effizienter nutzen können. Unter Laborbedingungen wurde am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) bei einer Vierfachsolarzelle bereits ein Wirkungsgrad von 47,6 % gemessen.

Solche Laborwerte lassen sich jedoch nach aktuellem Stand nicht annähernd auf die praktische Anwendung übertragen. Außerdem spielen für die tatsächliche Leistung einer Photovoltaikanlage nicht nur der Wirkungsgrad von Solarzellen eine Rolle, sondern auch die Ausrichtung und Neigung der Solarmodule, die Effizienz des Wechselrichters, Verschattungen und weitere Aspekte. 

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen kristallinen und nicht kristallinen Solarzellen.

Kristalline Solarzellen

Für Photovoltaikanlagen im privaten Bereich sind kristalline Solarzellen Standard. Für die Rentabilität einer Photovoltaikanlage ist nicht nur der Wirkungsgrad entscheidend, sondern auch die Langlebigkeit der Solarzellen. Hier haben sich kristalline Solarzellen in beiden Aspekten als führend etabliert.

In der Regel kommen heutzutage monokristalline Solarzellen zum Einsatz. Bei ihrer Herstellung wird reines Silizium knapp über seinem Schmelzpunkt erwärmt. Nach Hinzufügen eines Impfkeims oder -stabs lagert sich die Schmelze an diesem an. Beim Erstarren der Schmelze entsteht ein Monokristall oder  auch “Einkristall”. Daraus werden anschließend Wafer geschnitten. 

Auch aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads von etwa 20 % sind monokristalline Solarzellen für die meisten Dach-PV-Anlagen die beste Wahl. Obwohl andere Solarzellen günstiger in der Herstellung sind, liefern sie bei begrenzter Dachfläche keinen ausreichend hohen Ertrag.

Ebenfalls zu den kristallinen Solarzellen zählen die polykristallinen Zellen. Sie werden aus Ingots gesägt, in denen sich während des Abkühlens zahlreiche kleine Kristalle gebildet haben – ein natürlicher Prozess, weshalb polykristalline Zellen günstig herzustellen sind. Allerdings kommt es an den Kristallgrenzen zu Verlusten. 

Daher ist der Wirkungsgrad von polykristallinen Solarzellen im Vergleich zu monokristallinen Zellen geringer. Aus diesem Grund und weil monokristalline Zellen mit ihrer einheitlich schwarzen Oberfläche ästhetisch ansprechender sind, werden polykristalline Solarzellen industriell kaum noch hergestellt. Allerdings sieht man auf Dächern noch zahlreiche Altanlagen mit den bläulich schimmernden polykristallinen Solarzellen. 

Dünnschichtsolarzellen

Dünnschichtsolarzellen werden aus amorphem Silizium hergestellt, das auf ein Trägermaterial (etwa Glas oder Metall) aufgedampft oder aufgedruckt wird. Statt Silizium können bei Solarzellen auch andere Halbleiter wie Galliumarsenid, Kupfer-Indium-Diselenid oder Cadmium-Tellurid zum Einsatz kommen. Die so erzeugten Solarzellen heißen nicht umsonst Dünnschichtzellen: Sie sind weniger als 1 Mikrometer (µm) dick – ein menschliches Haar hat eine Dicke von etwa 50–100 µm.

Dünnschichtsolarzellen sind preisgünstig, flexibel und biegsam. Das macht sie für den Outdoor-Bereich interessant – etwa in Zelten, Rucksäcken oder sogar für Bekleidung. 

Aufgrund ihres niedrigen Wirkungsgrads von etwa 10 % sind sie jedoch nicht für Dach-Photovoltaikanlagen im Privatbereich geeignet, wohl aber für große Freiflächenanlagen, bei denen der Wirkungsgrad weniger wichtig ist als der Preis. 

Sollte die Forschung zu einem höheren Wirkungsgrad führen, könnten sie jedoch auch für PV-Anlagen auf Dächern interessant werden, die sich aufgrund der Statik nicht für die Bedeckung mit kristallinen Solarzellen eignen.

Weitere Arten von Solarzellen

Organische Solarzellen gehören ebenfalls zu den Dünnschichtzellen, bestehen aber nicht aus Silizium, sondern werden aus organischen Verbindungen (Kohlenwasserstoffverbindungen) hergestellt. Sie sind ausgesprochen dünn, flexibel und günstig in der Herstellung. Auch hier führt jedoch der geringe Wirkungsgrad dazu, dass sie für Dach-Photovoltaikanlagen nicht geeignet sind.

Vielversprechend ist die Forschung im Bereich der Tandem- und Hybridsolarzellen: Tandemsolarzellen kombinieren zwei oder mehr unterschiedliche Materialien. Sie können sowohl indirekte Halbleiter wie Silizium oder Germanium, als auch Kombinationen aus direkten III-V-Halbleitern, Perovskiten, amorphen oder mikrokristallinen Absorberschichten enthalten.

Hybridsolarzellen kombinieren die Vorteile organischer und anorganischer Materialien. Der organische Teil absorbiert viel Sonnenlicht, während der anorganische Anteil die Elektronen besser leitet. Die Kombination von Materialien zielt darauf ab, einen möglichst großen Anteil des Lichtspektrums zu verwerten. Mit Erfolg: Unter Laborbedingungen wurden hier schon mehrfach hohe Wirkungsgrade von 40 % und mehr erzielt. 

Wie langlebig Solarmodule sind, hängt unter anderem von der Art der verwendeten Solarzellen ab. Kristalline Solarmodule halten laut Experten in der Regel mehr als 30 Jahre, während die Lebensdauer von amorphen bzw. Dünnschichtsolarzellen zwischen 20 und 25 Jahren liegt. 

Da die Forschung an organischen Solarzellen noch relativ jung ist, ist ihre Haltbarkeit noch nicht ausreichend belegt. Geschätzt wird aber, dass sie unter der von kristallinen und amorphen Solarzellen liegt.

Solarzellen werden in vielen Bereichen eingesetzt und ihre Herstellung ist unterschiedlich aufwändig. Für privat genutzte Photovoltaikanlagen sind nach wie vor Module mit monokristallinen Solarzellen am besten. Auch wenn andere Arten von Solarzellen preisgünstiger sind, punkten monokristalline Zellen mit ihrem hohen Wirkungsgrad und ihrer Langlebigkeit. Sie schöpfen daher das Potenzial begrenzter Dachflächen für die Erzeugung von Solarstrom bestmöglich aus.