Solarzelle - Aufbau, Wirkungsgrad und Funktion
Wie funktioniert eine Solarzelle?
Die meisten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium. Damit die Solarzelle das Sonnenlicht überhaupt in Strom umwandeln kann, werden dem Silizium zusätzliche Fremdatome wie zum Beispiel Bor oder Phosphor hinzugefügt, was „dotieren“ genannt wird. Dadurch entstehen zwei Schichten - eine negativ geladene n-Schicht und eine positiv geladene p-Schicht.
Phosphor hat ein Elektron mehr als Silizium und erzeugt einen Elektronenüberschuss. Bor hat ein Atom weniger als Silizium und erzeugt im Kristallgitter eine Art „Elektronenloch".
Die thermische Energie der Sonneneinstrahlung sorgt dafür, dass freie Phosphor Elektronen der n-Schicht gelöst werden und zur p-Schicht wandern. An der Grenze der beiden Schichten entsteht durch die Bewegung der Atome Strom. Dieser Strom wird mithilfe von metallischen Kontakten an der Vorderseite und Rückseite der Solarzelle abgeleitet.
Für Photovoltaikanlagen werden mehrere, meist 60 Solarzellen miteinander gekoppelt. Sie bilden das Solarmodul.
Welches Licht benötigt eine Solarzelle?
Solarzellen benötigen Sonnenlicht, um die Elektronen im Halbleiter anregen zu können. Am effizientesten arbeiten Solarzellen mit kurzwelligen ultravioletten Lichtstrahlen. Eine kurze Wellenamplitude bedeutet eine hohe Frequenz und damit einen hohen thermischen Energiegehalt. Auch langwelliges Sonnenlicht ist nutzbar, jedoch mit einem geringeren Ertrag.
Welchen Strom liefert eine Solarzelle?
Im Durchschnitt liefert eine normale Solarzelle unter optimalen Bedingungen einen Gleichstrom von 30 bis 40 Milliampere pro Quadratzentimeter. Die Spannung einer typischen Solarzelle aus Silizium liegt bei etwa 0,5 bis 0,6 Volt. Eine Solarzelle mit einer Fläche von 156 mm x 156 mm (ca. 244 Quadratzentimeter) kann einen Strom von etwa 7,3 bis 9,8 Ampere liefern.
Mittels eines Wechselrichters wird der erzeugte Gleichstrom in für den im Haushalt nutzbaren Wechselstrom umgewandelt.
Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?
- Vorderseitenkontakt: Die dem Licht zugewandte Vorderseite hat eine Gitterstruktur von Kontakten, die aus Silber oder einer Silber-Kupfer-Legierung bestehen. Der Vorderseitenkontakt ist so gestaltet, dass möglichst viel Licht eingefangen werden kann und bildet den Minuspol der Solarzelle.
- n-dotiertes Silizium: Diese Schicht enthält zusätzlich negativ geladene Atome wie Phosphor. Phosphor hat einen Elektronenüberschuss, wodurch die Siliziumschicht negativ geladen ist.
- Grenzschicht: Der p-n-Übergang bildet die Grenzschicht zwischen der p-dotierten und der n-dotierten Siliziumschicht der Solarzelle. In der Grenzschicht entsteht durch das Wandern der Elektronen ein internes elektrisches Feld.
- p-dotiertes Silizium: Diese Schicht enthält zusätzliche Atome wie Bor, das weniger Elektronen hat als Silizium. Dadurch fehlen in dieser Schicht Elektronen und sie ist positiv geladen.
- Rückseitenkontakt: Die Rückseite besteht aus einer durchgehenden Metallfläche. Der Rückseitenkontakt bildet den Pluspol der Solarzelle.
- Verbraucher: Der in der Zelle fließende Strom wird an beiden Kontaktseiten der Zelle abgeführt und über ein Stromkabel dann weiter ins Haus transportiert.
Welchen Wirkungsgrad hat eine Solarzelle?
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt, wie viel Prozent der auf die Zelle fallende Sonnenenergie in Strom umgewandelt wird. Im Durchschnitt liegt der Wirkungsgrad von Solarzellen bei etwa 5 bis 25 Prozent. Der Wirkungsgrad von Solarzellen hängt von den verwendeten Siliziumkristallen ab. Je reiner das Silizium ist, desto besser ist die Leitfähigkeit und umso höher der Wirkungsgrad.
Neben dem Material, aus dem die Solarzelle besteht, bestimmen auch die Umgebungstemperatur, die Witterungsverhältnisse und das Alter der Zelle den finalen Wirkungsgrad.
Typische Wirkungsgrade von Solarzellen:
Art der Solarzelle | Wirkungsgrad |
|---|---|
Monokristalline Solarzelle | ca. 20 bis 25 Prozent |
Polykristalline Solarzelle | ca. 15 bis 20 Prozent |
Dünnschicht Solarzelle | ca. 10 bis 12 Prozent |
CIGS Solarzelle | ca. 12 bis 14 Prozent |
Welche Arten von Solarzellen gibt es?
Dickschichtzellen
Dickschichtzellen werden auch als kristalline Solarzellen bezeichnet und bestehen aus 0,18 mm bis 0,28 mm Silizium-Kristallscheiben, sogenannte Wafer, die weiter zur Solarzelle verarbeitet werden. Zu den häufigsten Varianten zählen monokristalline und polykristalline Solarzellen.
Dünnschicht Solarzellen
Dünnschichtsolarzellen können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, darunter amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) oder Cadmiumtellurid (CdTe). Diese Halbleitermaterialien werden auf Träger aus Glas, Kunststoff oder Metall aufgedampft. Dünnschicht Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von 10 bis 13 Prozent und zeichnen sich durch ihre flexiblen Einsatzmöglichkeiten aus.
Polykristalline Solarzellen
Polykristalline Solarzellen werden aus gegossenen Silizium-Blöcken hergestellt. Beim Abkühlungsprozess der Blöcke bilden die Siliziumkristalle unterschiedliche Größen. Aus diesen Blöcken werden Wafer geschnitten, die für die Herstellung der Solarzellen verwendet werden. Polykristalline Solarzellen haben einen Wirkungsgrad bei 15 bis 20 Prozent.
Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen werden aus hochreinen kristallinen Siliziumstäben, sogenannten Ingots, hergestellt. Die Ingots werden anschließend in dünne Wafer geschnitten und bilden die Basis der Solarzelle. Monokristalline Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von bis zu 24 Prozent.
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Mehrfachsolarzellen (Tandem- oder Stapelsolarzellen)
Mehrfahrsolarzellen, auch Tandemsolarzellen oder Stapelsolarzellen genannt, bestehen aus einer Kombination mehrerer Schichten verschiedener Halbleitermaterialien. Jede Schicht absorbiert ein anderes Spektrum des Sonnenlichts. Das macht Mehrfachsolarzellen extrem effizient.
- Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) zwischen 300 - 660 Nanometer (sichtbares Licht)
- Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAr) zwischen 600 - 840 Nanometer (nahes Infrarotlicht)
- Silizium zwischen 800 - 1200 Nanometer (längerwelliges Licht)
Organische Solarzellen
Die halbleitenden Materialien von organischen Solarzellen bestehen im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffverbindungen. Daher werden sie auch oft als „Plastik-“ oder „Kunststoffsolarzellen“ bezeichnet.
Organische Solarzellen basieren auf demselben Funktionsprinzip wie alle anderen Solarzellen und können als Kunststoffbeschichtung auf fast jede Oberfläche aufgebracht werden. Sie kommen oft auf Solarplanen, Solarjalousien oder auf gebogenen Solarpaneelen zum Einsatz.
Amorphe Solarzellen
Amorphe Solarzellen sind eine Art von Dünnschichtsolarzellen, die aus einer amorphen Siliziumschicht hergestellt werden. Im Gegensatz zur kristallinen Struktur haben amorphe Solarzellen ein ungeordnetes und unregelmäßiges Kristallgitter, die Atome sind nicht regelmäßig angeordnet. Um die Halbleiter von amorphen Solarzellen herzustellen, werden extrem dünne Schichten amorphem Siliziums auf ein Trägermaterial aufgedruckt oder aufgedampft. Hierfür wird meist Glas eingesetzt, es kann aber auch auf flexiblem Kunststoff oder Metall aufgetragen werden. Häufige Einsatzgebiete sind beispielsweise Taschenrechner, Power Banks oder Uhren.
Seit wann gibt es Solarzellen?
Die erste Solarzelle wurde 1954 von den Wissenschaftlern Calvin Fuller, Gerald Pearson und Daryl Chapin in den Bell Laboratories entwickelt. Damit markiert das Jahr 1954 den Beginn der modernen Photovoltaik-Ära, obwohl der erste technische Einsatz von Photovoltaikelementen erst vier Jahre später in der Raumfahrt erfolgte. 1958 wurde der Satellit Vanguard I mit einem aus 108 Solarzellen bestehenden Solarpaneel ausgestattet.
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Wie werden Solarzellen hergestellt?
Der Prozess beginnt mit der Gewinnung von Quarzsand, der fast reines Siliziumdioxid (SiO2) enthält. Quarzsand wird durch den Abbau von sogenannten Lockersedimenten (also Gesteinen) in Sand- oder Kiesgruben gewonnen.
Zur Herstellung von reinem Silizium wird der Quarzsand in Schmelz-Reduktionsöfen bei ca. 2.000°C mit Kohlenstoff erhitzt. Dadurch entsteht Rohsilizium, auch metallurgisches Silizium genannt, mit einer Reinheit von 98 - 99 Prozent. Dieses Rohsilizium wird anschließend durch das Siemens-Verfahren oder ähnliche Methoden weiter gereinigt, um ein hochreines polykristallines Silizium zu erhalten.
Beim Siemens-Verfahren wird fein gemahlenes metallurgisches Silizium zunächst im Wirbelschichtreaktor mit Salzsäure (Chlorwasserstoff HCl) bei 650 Grad Celsius zu Trichlorsilan (HSiCl3) umgesetzt. Als Nebenprodukt entsteht Wasserstoff, der später wieder benötigt wird. Durch Destillation werden anschließend die Störatome, die mit der Salzsäure ebenfalls Chlorverbindungen gebildet haben, abgetrennt. Der Substanz wird dann der zuvor erzeugte Wasserstoff wieder beigemengt. Die Verbindung bricht auf, es entstehen Salzsäure und Silizium. Das entstandene Halbmetall wird nun an heißen Siliziumstäben abgeschieden. Damit ist solares Silizium entstanden.
Herstellung von monokristallinen und polykristallinen Solarzellen:
Das gereinigte Silizium wird geschmolzen und anschließend langsam abgekühlt. Für monokristalline Solarzellen wird das Czochralski-Verfahren verwendet, bei dem ein einzelner Siliziumkristall aus der Schmelze gezogen wird. Polykristallines Silizium entsteht, indem das Silizium in Formen gegossen und langsam abgekühlt wird, wodurch viele kleine Kristalle entstehen.
Die Siliziumblöcke werden dann in dünne Scheiben geschnitten, bekannt als Wafer. Während der Waferherstellung wird das Silizium außerdem mit Bor dotiert. Bei der p-Dotierung werden auf der späteren sonnenabgewandten Seite der Solarzelle Fremdatome durch chemische Prozesse eingebracht. Bor besitzt im Vergleich zu Silizium nur drei Elektronen und erzeugt eine positiv geladene Siliziumschicht.
Bei der n-Dotierung wird die später sonnenzugewandte n-Schicht des Halbleiters mit Fremdatomen wie Phosphor angereichert, die fünf Elektronen besitzen. Dadurch steht ein zusätzliches, bewegliches Elektron zur Verfügung. Durch die unterschiedliche Dotierung der beiden Seiten der Silizium-Solarzelle entsteht eine Grenze zwischen der n-Schicht und der p-Schicht.
Abschließend werden metallische Kontakte auf die Ober- und Unterseite der Wafer aufgebracht, um den elektrischen Strom abzuleiten.
Was kostet eine Solarzelle?
Die Preise für Solarzellen variieren deutlich je nach Technologie. Im Schnitt erhalten Sie Solarmodule in einer Preisspanne von 200 bis 400 Euro, was einen Preis von etwa 3 bis 6 Euro pro einzelner Solarzelle entspricht.
Erfahren Sie mehr:
Welche Einsatzbereiche gibt es für Solarzellen?
- Solaranlage auf Wohngebäuden und Gewerbeimmobilien
- Solarparks und Solarfarmen zur Einspeisung ins öffentliche Netz.
- Kleine Solarzellen in Taschenrechnern, Uhren und tragbaren Ladegeräten.
- Solarzellen auf Fahrzeugdächern, wie Autos, Bussen und Zügen zur Stromversorgung.
- Solarzellen in der Raumfahrt für die Stromversorgung von Satelliten, Raumsonden und Raumstationen.
- Solarzellen als Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) in Bauelementen wie Fenster, Fassaden und Dächern, um ästhetische und funktionale Aspekte mit Energieerzeugung zu verbinden.
- Solargeneratoren und Solarbatterieladegeräte für die Notstromversorgung in Notfällen.
- Solarstrom in Landwirtschaft für den Betrieb von Bewässerungssystemen und Pumpen in landwirtschaftlichen Gebieten.
- Kleine Solarmodule für Straßenbeleuchtungen, Verkehrsschildern und Warnsignalen zur unabhängigen Stromversorgung.
- Solarstrom in der Telekommunikation für die Versorgung von Fernmeldeanlagen.
Die n-Dotierung fügt Halbleitermaterialien wie Silizium zusätzliche negativ geladene Atome hinzu. Diese Atome sind z. B. Phosphor, Arsen oder Antimon. Das "n" steht dabei für die negativ geladene Schicht.
Die p-Dotierung fügt Halbleitermaterialien wie Silizium zusätzliche positiv geladene Fremdatome wie Aluminium, Bor, Indium oder Gallium hinzu. Das "p" steht dabei für positiv geladene Schicht.
Ingots sind zylinderförmig hergestellte Einkristalle aus Silizium. Aus den Ingots werden dünne Scheiben, sogenannte Wafer, für die Herstellung der Solarzellen geschnitten.
Wafer sind sehr dünne Scheiben aus einem Halbleitermaterial wie Silizium die durch das Zerschneiden von monokristallinen Ingots oder multikristallinen Blöcken entstehen.
Die Lebensdauer einer Solarzelle beträgt 25 bis 30 Jahre, wobei sie im Laufe der Zeit an Effizienz verlieren kann, typischerweise etwa 0,5 bis 1 Prozent pro Jahr.
Der photoelektrische Effekt ist ein physikalisches Phänomen, bei dem Elektronen aus einem Material freigesetzt werden, wenn dieses Material Licht oder eine andere Form elektromagnetischer Strahlung absorbiert. Dieser Effekt, der grundlegend für die Funktionsweise von Solarzellen ist, ermöglicht die Umwandlung von Lichtenergie direkt in elektrische Energie.
