Funktionsweise der Solarzelle

Solarzellen sind Kernbestandteil einer Photovoltaikanlage. Sie wandeln die Sonnenstrahlen in Solarstrom um. Eine einzelne Zelle kann nur eine sehr geringe Leistung abgeben. Daher werden mehrere Solarzellen miteinander gekoppelt, sodass sich die Leistung kumuliert. Sobald mehrere Solarzellen in eine Reihe geschaltet wurden, spricht man von einem Photovoltaik Modul.

Das grundlegende Funktionsprinzip einer Solarzelle

Funktionsweise der Solarzelle

Solarzellen basieren auf der optischen Anregung eines Halbleiters. Anders als Metalle weisen Halbleiter keine frei beweglichen Elektronen auf, die elektrischen Strom transportieren können. Damit verhalten sie sich zunächst wie Isolatoren, alle Elektronen sind fest mit ihren Atomen verbunden. Grundsätzlich können aber in jedem Festkörper Elektronen durch die Absorption von Strahlung von ihren Atomen gelöst werden. Der Unterschied zwischen einem Halbleiter und einem Isolator besteht im Wesentlichen darin, dass relativ wenig Energie erforderlich ist, um Elektronen in einen frei beweglichen Zustand anzuheben. Im Fall von Silizium, dem in Solarzellen am häufigsten verwendeten Halbleiter, ist dazu beispielsweise ein Photon aus dem kurzwelligen Teil des optischen Spektrums ausreichend. Wichtig ist zu verstehen, dass die Energie des Photons weder zu niedrig noch zu hoch sein darf. Es existiert also ein scharf begrenztes Energieintervall, innerhalb dessen Photonen in Strom umgewandelt werden können. Wird an den Halbleiter eine äußere elektrische Spannung angelegt, fließt immer dann Strom, wenn ein Elektron in den leitenden Zustand übergeht, weil ein Photon mit passender Energie absorbiert wurde.

Silizium Solarzellen

Unterschiedliche Ausführungen von Silizium-Solarzellen

Solarzellen in einem SolarmodulZunächst unterscheiden sich die Siliziumkristalle durch den Grad der Verunreinigung. In der Realität existiert kein einhundertprozentig reiner Kristall, der nicht in geringen Mengen auch Fremdatome enthält. Ein erstes Unterscheidungskriterium ist also die Reinheit des verwendeten Siliziums. Wichtig ist auch, ob die Solarzelle aus einem großen Kristall oder vielen zusammengesetzten kleinen Kristallen besteht. An den Grenzflächen zwischen den kleinen Kristallen treten Stromverluste auf, weswegen die so genannten monokristallinen Solarzellen höhere Wirkungsgrade aufweisen als multi- beziehungsweise polykristalline Zellen. Allerdings sind die Herstellungskosten deutlich höher, was auch an dem hohen Energieaufwand für die Herstellung großer Kristalle liegt. Möglich ist auch, das Silizium zu einer amorphen Masse zu schmelzen und diese als dünne Schicht auf die Solarzelle aufzudampfen. Diese so genannten Dünnschichtmodule weisen einen noch geringeren Wirkungsgrad auf, sind aber wegen des geringen Materialbedarfs deutlich preiswerter. Insbesondere für die Herstellung von Dünnschichtmodulen können auch andere Halbleiter als Silizium verwendet werden.

Neuere Entwicklungen

Noch relativ neu ist die Idee, statt kristalliner Halbleiter organische Halbleiter zu verwenden. Der Begriff „Organisch“ besagt nur, dass die Moleküle Kohlenstoff enthalten, sonst nichts. Organische Kunststoffe weisen als Ausgangsmaterial für Solarzellen viele Vorteile auf. Sie sind billig, leicht zu verarbeiten und können in jeder beliebigen Form hergestellt werden, beispielsweise als dünne Folien. Der Wirkungsgrad ist noch gering, kann aber theoretisch durch weitere Materialforschung noch weit verbessert werden. Nachteile im Wirkungsgrad können dadurch kompensiert werden, dass die nutzbare Fläche für organische Folien deutlich größer ist als für schwere kristalline Solarzellen. Sie können theoretisch auf jede Wand, jedes Dach, jedes Fenster, jedes Auto oder auch jeden Sonnenschirm geklebt werden. Daneben wird intensiv an Tandem-Solarzellen geforscht. Dabei handelt es sich im Prinzip um Solarzellen, in denen zwei Halbleiter übereinander geschichtet werden, die unterschiedliche Frequenzintervalle des Spektrums nutzen.

Organische Solarzelle

Heutige Wirkungsgrade

Den höchsten Wirkungsgrad weisen monokristalline Siliziumzellen auf, hier sind etwa 19 Prozent erreichbar. Solarzellen aus polykristallinem Silizium liegen heute im Bereich von 15 Prozent. Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium liegen bei ca. sieben Prozent. Dies sind Richtwerte unter Produktionsbedingungen. Unter speziellen Laborbedingungen konnten bereits deutlich höhere Werte erzielt werden.

Solarzelle-Typ Wirkungsgrad
monokristalline Siliziumzellen ~ 19 %
polykristallinem Silizium ~ 15 %
Dünnschichtzellen ~ 7 %

Fazit: Nicht der Wirkungsgrad allein entscheidet

Die zukünftige Entwicklung der Solarzellen ist heute noch nicht abzusehen. Es deutet sich an, dass signifikante Steigerungen des Wirkungsgrads mit hohen Kosten verbunden sind. Wirtschaftlich aussichtsreicher erscheint es nach heutigem Stand, perspektivisch auf billige organische Halbleiter zu setzen. Diese können in der Massenproduktion buchstäblich als „Pfennigartikel“ im Druckverfahren hergestellt werden.