Aufbau, Funktion, Herstellung und Wirkungsgrad von Solarzellen Photovoltaik Solarzellen-Technologie erklärt 2024

Eine Solarzelle ist ein elektronisches Element, das Sonnenenergie in Strom umwandelt. Sie sind meist 156 x 156 Millimeter groß und somit die kleinsten Bauteile einer Solaranlage. Solarzellen nutzen den photovoltaischen Effekt, um aus Photonen Solarstrom zu erzeugen.

Solarzellen bestehen aus Halbleitern wie Silizium, die in zwei Schichten aufgeteilt sind. Die n-Schicht ist negativ dotiert und hat freie Elektronen, während die p-Schicht positiv dotiert ist und keine Elektronen enthält. Zwischen beiden Halbleiterschichten entsteht eine sogenannte Raumladungszone, auch als p-n-Übergang bekannt. Damit ein Stromfluss entsteht, befinden sich an beiden Enden jeweils negative oder positive Elektroden. Auf die Solarzellen kommt eine Antireflexionsschicht drauf.

Die Solarzellen-Technologie macht Gebrauch des photovoltaischen Effekts für die Stromerzeugung. Dieser entsteht, wenn Sonnenstrahlung auf die Grenzschicht zwischen diesen p- und n-Schichten trifft. Hier lösen sich die Atome aus der n-Schicht ab und wandern aufgrund von Anziehungskräften in die p-Schicht. Positiv geladene "Löcher" bleiben dabei zurück. Diese Löcher wandern dann in die n-Schicht, während sich die Elektronen bewegen.

Solarzellen werden nach dem Material der Halbleiterschichten eingeteilt. Sie können auch nach der Dicke des Materials (Dick- oder Dünnschichtzellen) und der verwendeten Kristallstruktur unterschieden werden. Die meist bekannten und genutzten Zelltypen bestehen aus monokristallinen, polykristallinen und amorphen Silizium.

Einfamilienhäuser nutzen überwiegend monokristalline Solarzellen. Der Grund dafür ist recht einfach: Sie erreichen einen höheren Wirkungsgrad und erzeugen mehr Strom auf derselben Fläche. Da Einfamilienhäuser nur über eine begrenzte Dachfläche für die Installation einer Solaranlage verfügen, fällt die Entscheidung oft zu Gunsten von monokristallinen Solarzellen.

Gleiches gilt für Balkonkraftwerke, auch sie nutzen überwiegend monokristalline Solarzellen, weil sie effizienter sind. Zwar dürfen Balkonkraftwerke nur eine begrenzte Nennleistung haben (ab 1. Januar 2024 800 Watt Peak), dennoch gilt es die geringe verfügbare Fläche maximal zu nutzen.

Die verschiedenen Typen von Solarzellen-Technologie entstehen durch unterschiedliche Herstellungsverfahren.

• Monokristalline Solarzellen: Für die Gewinnung eines Einkristalls wird das Silizium vorerst geschmolzen und gereinigt.  Ein großer Einkristall wird auf einen Stab aus der Schmelze gezogen, was technisch sehr anspruchsvoll ist. Anschließend werden aus dem Einkristall dünne Scheiben, so genannte Wafer, geschnitten. 
• Polykristalline Solarzellen: Sind einfacher herzustellen, da sie keinen Einkristall benötigen. Die Schmelze wird in einen Tiegel überführt oder direkt darin geschmolzen. Im Tiegel kühlt die Schmelze ab und bildet Kristalle. Anschließend werden Barren oder Quader aus dem Block gesägt. Diese Barren werden zur Herstellung der polykristallinen Wafer verwendet. Die Wafers werden anschließend dotiert und mit Elektroden ausgestattet, sodass eine Solarzelle entsteht.
• Dünnschichtsolarzellen: Bei automatisierten Verfahren werden einzelne Zellen durch das Aufbringen dünner Schichten aus gasförmigem amorphem Silizium oder anderen Halbleitermaterialien abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt direkt auf ein Trägermaterial wie Glas oder Metallfolie. Es gibt keine sichtbaren Leiterbahnen.

Den höchsten Wirkungsgrad erreichen monokristalline Solarzellen, die bis zu 24 Prozent der aufgenommen Sonnenstrahlung in Strom umwandeln. Polykristalline Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 15 bis 20 Prozent, während Dünnschicht-Solarzellen nur bis zu 13 Prozent erreichen. CdTe- und CIGS-Solarzellen erreichen Wirkungsgrade zwischen 16 und 21 Prozent, sind derzeit auf dem Markt allerdings von keiner Bedeutung. 

Solarzellen sind nicht einzeln erhältlich, weswegen ein Preis pro Solarzelle schwer bezifferbar ist. Die Kosten stark von der Solarzellen-Technologie ab. Monokristalline Solarzellen sind aufgrund der hohen Wirkungsgrads die teuersten, gefolgt der polykristallinen Solarzellen. Die günstigsten sind die Dünnschicht-Solarzellen. Im Allgemeinen haben höherpreisige Solarzellen einen höheren Wirkungsgrad.

Solarzellen halten durchschnittlich um die 30 Jahre lang. Einige Solarzellen erreichen sogar eine Lebensdauer von bis zu 40 Jahren. Dabei verlieren Solarzellen aufgrund der Degradation zunehmend an Leistung. Solarzellen arbeiten also auch nach 30 bis 40 Jahren noch weiter, auch wenn sie einen leichten Leistungsabfall aufweisen.

Die Solarzellen-Technologie hat im Vergleich zu anderen Energiequellen eine geringe Umweltbelastung. Während ihrer Nutzung werden keine Emissionen freigesetzt. Allerdings verbrauchen die Herstellung und Entsorgung von Solarmodulen Ressourcen und verursachen Abfall. In Deutschland amortisieren sich der ökologische Fußabdruck von Solarzellen innerhalb eines Jahres.

Nicht nur ist Photovoltaik eine nachhaltige Art und Weise der Stromerzeugung, sie lohnt sich aufgrund der hohen Strompreisen auch wirtschaftlich. Ein Fachunternehmen hilft, den ökologischen Fußabdruck sowie das Einsparpotenzial von Photovoltaik ersichtlich zu machen.

Solarmodule nutzen entweder Vollzellen oder Halbzellen. Beide Arten haben ihre Vorteile und Nachteile. 

• Die am häufigsten verwendeten Module sind die klassischen Vollzellenmodule. Sie haben 60 oder 72 in Reihe geschaltete Solarzellen. Diese Zellen sind in 3 Strings aufgeteilt, die jeweils durch eine Bypass-Diode geschützt sind. Jedes Modul hat 3x20 oder 3x24 in Reihe geschaltete Solarzellen.
• Halbzellenmodule nutzen entweder 120 oder 144 Halbzellen. Jedes Modul hat sechs Stränge mit 20 Halbzellen. Die obere Hälfte hat drei Stränge mit 20 Halbzellen, die parallel zur unteren Hälfte geschaltet sind. Diese Verbindung wird auf der Stromschiene in der Mitte des Moduls hergestellt. Dadurch wird das Modul in zwei identische Hälften geteilt. Jede Hälfte verfügt über 3 Bypass-Dioden, die jeweils 20 Halbzellen schützen.

Silizium-Solarzellen haben sich auf dem Markt etabliert, ihr Wirkungsgrad ist jedoch physikalisch begrenzt. Aus diesem Grund wurden leistungssteigernde Technologien wie die PERC- oder TOPCon-Technologie entwickelt. Perowskit- und Tandem-Solarzellen sind vielversprechende neue Solarzellen-Technologien, die jedoch noch nicht marktreif sind.