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Wie funktioniert eine Solarzelle

Der Siegeszug der Solarzelle begann vor knapp 200 Jahren mit dem Franzosen Alexandre Edmond Becquerel. Er experimentierte damals mit Batterien und fand heraus, dass Batterien, welche dem Sonnenlicht ausgesetzt sind und waren, eine höhere Leistung und Lebensdauer aufwiesen. Gemeinsam mit seinem  Vater Antoine César Becquerel entdeckte er den Becquerel-Effekt und schuf damit die Grundlage für die Entwicklung von Solarzellen. Erst 54 Jahre später nach der Grundlagenforschung von Becquerel wurde 1893 bei Selen die erste Solarzelle gebaut, welche tatsächlich Elektrizität erzeugte.

Bis noch vor einigen Jahren war die Herstellung einer Solarzelle nicht nur aufwendig und teuer, sondern auch von der Energiebilanz unwirtschaftlich, denn zur Produktion musste mehr Energie aufgebracht werden, als die Zelle während ihrer Lebensdauer lieferte. Heute ist die Energiebilanz, abhängig vom Typ nach einem bis spätestens fünf Jahren positiv.

Solaranlagen werden auch als Photovoltaik-Anlagen bezeichnet. „Photo“ ist griechisch und bedeutet „Licht.“ Der Wortbestandteil „Voltaik“ leitet sich vom Wissenschaftler Allessandro Volta ab und die physikalische Kennzahl „Volt“ misst die Stromstärke. Eine Photovoltaik-Zelle wandelt folglich Sonnenlicht in Strom um. Dabei werden durch die Einstrahlung von Licht positive und negative Ladungsträger im Festkörper freigesetzt. Anders als bei fossilen Brennstoffen müssen keine Ressourcen verbrannt werden, um Dampf zu erzeugen und schlussendlich eine Turbine anzutreiben, welche über einen Generator dann wiederrum Strom erzeugt.  

Das wichtigste Element in einer Solarzelle ist der Halbleiter. Halbleiter werden unter Zufuhr von Licht oder Wärme leitfähig und somit unersetzlich zur Erzeugung von Strom. Fast alle Solarbauer setzen dabei auf Silizium. Der Halbleiter kommt in der Erdrinde vor und existiert dort in großen Mengen. Außerdem schadet die Verarbeitung des Halbleiters nur bedingt die Umwelt. Siliziumdioxid ist zum Beispiel in Sand gebunden. In Kombination mit einem chemischen Verfahren kann man den Sauerstoff entziehen und erhält als Endprodukt reines Silizium. Der Halbleiter wird sehr häufig auch in Computerchips verbaut.

In der Grafik wurde eine graue Schicht p-dotiertes und n-dotiertes Silizium eingezeichnet. In den Halbleiter werden Fremdatome eingebraucht, um somit die Eigenschaften des Siliziums zu verändern. Im Vergleich zum Silizium sind es aber nur sehr geringe Mengen an Fremdatomen, welche sich dann im dotierten Material befinden. In der p-dotierten-Schicht befindet sich ein positiver Ladungsträgerüberschuss. Analog dazu befindet sich im n-dotierten Silizium ein negativer Ladungsträgerüberschuss. Der Übergang von der n-dotierten- zur p-dotierten Siliziumschicht wird als p-n-Übergang oder Grenzschicht bezeichnet. An diesem Übergang werden mit Hilfe eines inneren elektrischen Feldes die positiv geladenen „Löcher“ und die negativ geladenen Elektronen voneinander getrennt. Beide Ladungen bewegen sich frei im Festkörper. Die Elektronen werden durch das Licht (Photonen) freigesetzt. Elektronen vom p-dotierten Silizium fließen ins n-dotierte Silizium ab und die „Löcher“ bewegen sich auf die p-Seite. Über den Vorder- und Rückseitenkontakt wird ein Stromkabel angeschlossen über das der Verbraucher seine elektrischen Geräte betreiben kann. Auf der Solarzelle befindet sich eine Antireflexbeschichtung. Sie sorgt nicht nur für das typisch blaue Aussehen der Solarzelle, sondern beugt auch Reflexionsverlusten vor und schützt die Zelle vor Umwelteinflüssen. Eine typische Siliziumzelle ist zwischen 10x10 cm und 15x15cm groß.

Aus der Grafik geht hervor, dass die Spannung nur sehr schwach von der Lichteinstrahlung abhängig ist. Die Stromstärke hingegen steigt mit steigender Lichteinstrahlung an.  Ein 1 Meter x 1 Meter großes Silizium-Solarmodul erreicht bei einer Bestrahlung von 1000 W/m² zum Beispiel maximal zwei Ampere. Um ein Kilowatt an Strom zu erzeugen muss die Solarzelle beispielsweise zehn Quadratmeter groß sein.

In der Grafik wurden zwei unterschiedliche Strom-Spannungs-Kennlinien einer Solarzelle eingezeichnet. Bei der einen Kennlinie herrschten Temperaturen von 25 Grad Celsius und bei der anderen 55 Grad Celsius. Die Spannung sinkt mit steigender Außen- und Innentemperatur und somit sinkt auch der Wirkungsgrad. Als Faustregel gilt: Eine Steigerung der Temperatur um 10 Grad Celsius führt zu einem Abfall der Leistung um 6 Prozent. Aus diesem Grund sollte beim Einbau einer Solarzelle auf eine Hinterlüftung geachtet werden.

Zelltypen für ein Solarmodul

Zur Herstellung von Solarmodulen verbaut die Industrie momentan: amorphe-, monokristalline- oder polykristalline Solarzellen. Im linken Bild handelt es sich bei der Solarzelle oben links um eine polykristalline Zelle. Rechts daneben befindet sich eine amorphe Zelle und die beiden anderen Zellen wurden aus hochreinem Silizium zur monokristallinen Zelle verarbeitet.

Amorphe Solarzellen sind sehr günstig in der Herstellung, denn die anfallenden Materialkosten sind niedriger als bei mono- oder polykristallinen Zellen. Bei den sogenannten Dünnschichtzellen wird auf Glas oder einem anderem Substrat eine  weniger als 1 µm dünne Siliziumschicht aufgedampft. Der Wirkungsgrad einer solchen Zelle beträgt allerdings nur acht Prozent. Taschenrechner und Uhren werden häufig zur Stromversorgung mit solchen Zellen ausgestattet. Einer der Vorteile der amorphen Zellen besteht unteranderem auch in der Flexibilität. Mit dem richtigen Trägermaterial können amorphe Zellen auch zusammengerollt und im Rucksack transportiert werden.

Eine polykristalline Solarzelle hingegen weist einen Wirkungsgrad von knapp 20 Prozent auf. Das in Blöcke gegossene Silizium wird in Scheiben geschnitten und dabei bildet sich die typische Kristallstruktur des Zelltypen. Die Herstellungskosten sind noch vergleichsweise gering. Häuserdächer und Solarparks nutzen meistens polykristalline Solarzellen. Mit anderen Halbleitern werden sogar Wirkungsgrade von bis zu 40 Prozent erreicht.

Im Gegensatz zur polykristallinen Solarzelle werden aus der Siliziumschmelze nur einkristalline Stäbe gezogen. Diese werden in Scheiben geschnitten und zur Solarzelle verarbeitet. Der Wirkungsgrad liegt bei 17 bis 20 Prozent, wobei die Technologie natürlich immer ausgereifter wird. Die Produktionskosten sind relativ hoch und deshalb wird diese Herstellungsmethode hauptsächlich zur Stromerzeugung auf Satelliten verwendet.

Die Forschung erprobt gerade den Einsatz von organischen und Farbstoff-Solarzellen. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades können auch Tandem- oder Tripelzellen genutzt werden.

Autor: Martin Brosy