Photovoltaikanlagen prägen inzwischen auf vielen Gebäuden und Grundstücken das alltägliche Bild. Sie sind ein wichtiger Teil der Energiewende. Ein essenzieller Bestandteil von Solaranlagen sind Solarzellen. Wie sie funktionieren, welche Arten es gibt und wie es um ihren Wirkungsgrad steht, erfahren Sie im folgenden Beitrag.

Wie sind Solarzellen aufgebaut?

Silizium-Solarzellen bestehen aus drei Schichten. Den Hauptbestandteil bilden dabei die beiden unterschiedlich dotierten Siliziumschichten: die n-dotierte Schicht und die p-dotierte Schicht. In der n-dotierten Schicht ist Phosphor eingemischt, wodurch diese negativ wird (über freie Elektronen verfügt). In der p-dotierten Schicht ist Bor eingemischt, wodurch diese positiv wird (ihr fehlen Elektronen). Zwischen den beiden Schichten befindet sich eine Grenzschicht, die freigesetzte Ladungen ausschließlich mithilfe von Sonnenlicht passieren können. In diesem Kern der Solarzelle entsteht durch Elektronenbewegungen ein elektrisches Feld – auch als p-n-Übergang bezeichnet.

Wie funktionieren Solarzellen?

Der in Solarzellen eingesetzte Halbleiter Silizium reagiert auf die Strahlen der Sonne, die Photonen beinhalten, indem er Elektronen loslöst. Es bleiben dort positiv geladene Löcher zurück. Abhängig von ihren Ladungen bewegen sich die Elektronen zur negativen oder positiven Elektrode. Während die Elektronen zur Oberseite des Siliziums wandern, bewegen sich die Löcher zur Unterseite. Die Ladungen fließen nach oben durch die leitenden Metallschichten ab und gelangen so zum Verbraucher, der die Energie benötigt – das können Leuchtmittel, Computer oder Stromnetze sein. Im Anschluss wird der Stromkreislauf dadurch geschlossen, dass sich die Elektronen zurück zur Schicht mit den fehlenden Elektronen bewegen.

Metallische Kontakte auf Vorder- und Rückseite, die über ein Kabel miteinander verbunden sind, sorgen dafür, dass der Strom für Verbraucher auch nutzbar ist. Eine ganzheitliche Kontaktschicht auf der Rückseite leitet die Elektronen ab und bringt sie über ein Kabel zum Fließen. Dadurch entsteht ein elektrischer Stromkreis. Auf der Vorderseite sind die Kontakte in Form eines dünnen Gitters aufgebracht, sodass das Licht auf die Oberfläche fallen kann.

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Solarzellen gehören zu den wichtigsten Bestandteilen einer Photovoltaikanlage, denn sie bestimmen maßgeblich, wie hoch die Anschaffungskosten der PV Anlage ausfallen und wie viel Strom diese erzeugen kann. Zurzeit gibt es drei verschiedene Arten von Solarzellen, die für Privatanwender von Interesse sind:  Monokristalline Solarzellen, polykristalline Solarzellen und Dünnschichtzellen.

  • Monokristalline Solarzellen

    Monokristalline Solarzellen bestehen aus einkristallinem Silizium. Dieser Zelltyp verfügt über einen sehr hohen Siliziumanteil und ist mit einem Wirkungsgrad von ca. 20 Prozent die effektivste Solarzelle bei direkter Sonneneinstrahlung. Wegen der aufwendigen Produktion sind monokristalline Module jedoch vergleichsweise teuer.

  • Polykristalline Solarzellen

    Polykristalline Solarzellen werden ebenfalls aus Silizium hergestellt, wobei das Silizium bei diesem Typ nicht so rein ausfällt. Da die Modul-Herstellung weniger aufwendig ist und aufgrund der quadratischen Form der Zelle nur geringe Abfälle entstehen, sind polykristalline Solarzellen preiswerter und auch für die Umweltbilanz der Photovoltaikanlage besser. Sie gelten oft als die Solarzellen mit dem besten Preis-Leistungs-Verhältnis. Jedoch fällt der Wirkungsgrad mit rund 15 Prozent niedriger aus, weil weniger reines Silizium verwendet wird.

  • Dünnschichtzellen

    Dünnschichtzellen gehören zu den amorphen, also nichtkristallinen Solarzellen. Sie werden auch aus Silizium hergestellt, das mit anderen Materialien vermischt wird und in einer sehr dünnen Schicht auf ein Trägermaterial, wie zum Beispiel Glas, aufgedampft wird. Der Wirkungsgrad beläuft sich auf nur fünf bis sieben Prozent, weshalb er durch eine größere Modulfläche kompensiert werden muss. Dünnschichtzellen sind, in Abhängigkeit vom Trägermaterial, sehr flexibel und lassen sich sogar rollen und falten. Der Produktionsprozess verläuft relativ unkompliziert, wodurch diese Zellen günstiger als kristalline Zellen (Dickschichtzellen) sind.

Wie ist der Wirkungsgrad von Solarzellen?

Der Wirkungsgrad (dargestellt mit dem griechischen Buchstaben η) gibt die Effektivität an, mit der die Solarzelle arbeitet. Er berechnet sich aus dem Verhältnis von abgegebener elektrischer Energie zur einstrahlenden Lichtenergie. Je näher dieser Wert am Maximum von 1 (100 Prozent) liegt, desto höher fällt der Wirkungsgrad der Solarzelle aus. Der Wirkungsgrad bezeichnet, wie gut die Solarzelle die als Licht zur Verfügung stehende Energie verwertet. Wesentlicher Faktor für den Wirkungsgrad von Solarzellen ist das verwendete Material. Zurzeit bestehen nahezu alle Solarmodule aus Silizium.

Neben Stromverlusten sind auch die Temperatur der Module und die verarbeiteten Frequenzen des Lichtspektrums Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad von Solarzellen. Letztere bestimmen die physikalisch mögliche Grenze des Wirkungsgrades aus monokristallinem Silizium. In der Theorie sind 33 Prozent möglich, die in der Praxis aber nicht erreicht werden. Eine Solarzelle hat immer einen höheren Wirkungsgrad als eine Photovoltaikanlage, weil die Verluste aller Bauteile einer Anlage beim Gesamtwirkungsgrad einkalkuliert sind. Im Wechselrichter wird Gleich- in Wechselstrom umgewandelt, was ebenfalls mit Verlusten verbunden ist. Zudem reduzieren Länge und Querschnitte von Verbindungsleitungen sowie lange Leitungen für Wechselstrom die Effektivität.

Die Summe der Verluste einer Anlage können vier Prozent und mehr erreichen, was den Gesamtertrag beeinträchtigt. Deshalb ist beim Bau einer Solaranlage neben der Wahl der passenden Solarzellen/Module auch die Auswahl der weiteren Bauteile wichtig. Für die Wahl des Solarzellentypes einer Photovoltaikanlage ist der Wirkungsgrad allein nicht ausschlaggebend. Sie sollten alle Randbedingungen beachten und die Solarzellen einsetzen, die den insgesamt effektivsten Ertrag für Sie versprechen.