Solarzellen werden zu Solarmodulen zusammengesetzt und bilden so die Grundbausteine jeder Photovoltaikanlage. Durch den photovoltaischen Effekt wandeln sie Sonnenlicht in elektrische Energie um.

Kleinere Solarzellen werden allerdings auch außerhalb von Photovoltaikanlagen eingesetzt und verwendet, um alltägliche Gegenstände mit Strom zu versorgen. Man findet sie in:

• Taschenrechnern
• Uhren
• Laternen, Lampen
• Springbrunnen
• Verkehrsschildern
• Mobilen Ladegeräten
• Autos
• Satelliten / in der Raumfahrt
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Manchmal werden auch Elemente eines Sonnenkollektors umgangssprachlich fälschlicherweise als Solarzelle bezeichnet. Sollarkollektoren sind allerdings Teil einer Solarthermieanlage. Das heißt, sie erzeugen keinen elektrischen Strom, sondern Prozesswärme und speichern diese in einem Warmwasserspeicher (Boiler).

Im Folgenden beziehen wir uns auf diejenigen Solarzellen, die in Photovoltaik-Modulen und auf Dächern angebracht werden.

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?

Eine Solarzelle besteht aus mehreren Schichten, die gemeinsam arbeiten, um Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln.

Kristalline Silizium-Solarzellen sind die am häufigsten verwendeten Solarzellen und sind folgendermaßen aufgebaut.

Frontkontakte auch als Finger bezeichnet

Diese sind aus einem leitfähigen Material (oft Silber) und stellen die Verbindung zur externen Schaltung her.

Die Frontkontakte sind sehr dünn und so konzipiert, dass sie den Lichteinfall auf die Solarzelle möglichst wenig behindern. Sie sammeln die freien Elektronen ein, die durch den photovoltaischen Effekt erzeugt werden, und leiten sie in den externen Stromkreis ab.

Antireflexschicht

Diese äußere Schicht auf der Oberseite der Solarzelle verringert die Reflexion des einfallenden Sonnenlichts und sorgt dafür, dass möglichst viel Licht in die Zelle eindringen kann. So wird die Stromerzeugung maximiert.

Emitter oder n-Schicht

Dies ist die obere Schicht des dotierten Siliziums. Sie ist in der Regel n-dotiert, das heißt, es gibt einen Überschuss an Elektronen (negativen Ladungen).

Basis oder p-Schicht

Dies ist die untere Siliziumschicht. Sie ist typischerweise p-dotiert, wodurch es einen Überschuss an „Löchern“ oder positiven Ladungen enthält.

p-n-Übergang

Der Bereich, in dem die p-Schicht und die n-Schicht aufeinandertreffen wird als p-n-Übergang bezeichnet. Durch die Bewegung von Elektronen und Löchern zwischen den beiden Silizium-Schichten entsteht in diesem Bereich ein elektrisches Feld.

Rückseitige Passivierungsschicht

Diese Schicht befindet sich auf der Rückseite der Solarzelle und ist oft aus einem Material mit einem höheren Bandabstand als das Basismaterial der Zelle. Dadurch entsteht ein starkes elektrisches Feld nahe der Unterseite.

Dieses Feld dient dazu, die Elektronen vom Rand der Zelle wegzudrängen und dadurch die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass sie dort mit Löchern rekombinieren. Dies führt dazu, dass mehr Elektronen durch die Zelle fließen und zur Stromerzeugung beitragen können.

Rückseitenkontakte

Diese sind, wie die Frontkontakte, aus einem leitfähigen Material und stellen auch hier wieder die Verbindung zur externen Schaltung her. Sie helfen dabei, die Elektronen, die durch das Sonnenlicht freigesetzt werden, einzusammeln und in nutzbaren Strom umzuwandeln.

Wie funktionieren Solarzellen?

Um es in einem Satz zusammenzufassen: Solarzellen bestehen aus dotierten Halbleitern und funktionieren nach dem Prinzip des photovoltaischen Effekts.

Was ist der Photoelektrische und der Photovoltaische Effekt?

Im Wesentlichen besagt der photoelektrische Effekt, dass Photonen, die auf ein Halbleitermaterial treffen, Elektronen „ausschlagen“ können.

Der photovoltaische Effekt ist eine Unterart des photoelektrischen Effekts und führt lediglich zu einer Anregung der vorhandenen Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband.

Nutzung des photoelektrischen Effekts in der Photovoltaik

Wenn Lichtteilchen – also Photonen – auf die Solarzelle treffen, werden sie absorbiert und dadurch entstehen sogenannte freie Elektronen bzw. Elektronen-Loch-Paare. Das heißt, der Halbleiter verfügt bei Energiezufuhr über eine erhöhte Leitfähigkeit.

Durch die spezielle Anordnung des dotierten Materials in der Solarzelle, die als p-n-Dotierung bekannt ist, entsteht ein internes elektrisches Feld. Dieses Feld bringt die Elektronen und Löcher dazu, sich in verschiedene Richtungen zu bewegen und erzeugt so einen Stromfluss.

Wenn die Solarzelle an einen externen Stromkreis angeschlossen wird, können die freien Elektronen genutzt werden, um elektrische Geräte mit Energie zu versorgen. Somit wandelt die Solarzelle das einfallende Licht direkt in nutzbaren Strom um.

Verschiedene Typen von Solarzellen

Wir haben eben über den generellen Aufbau Solarzellen gesprochen. Dabei gibt es verschiedene Arten von Solarzellen, die sich hauptsächlich in Material und Herstellungsverfahren unterscheiden.

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzigen, hochreinen Siliziumkristall. Sie bieten die höchste Effizienz aller Solarzellentypen, sind aber auch die teuersten.

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen bestehen aus vielen Siliziumkristallen und sind weniger effizient als monokristalline Zellen. Sie sind jedoch kostengünstiger in der Herstellung.

Dünnschicht-Solarzellen

Dünnschicht-Solarzellen bestehen aus einer dünnen Schicht Halbleitermaterial auf einem Trägermedium. Sie sind weniger effizient als kristalline Solarzellen, aber günstig in der Herstellung und flexibel einsetzbar.

Organische und Perowskit-Solarzellen

Diese neueren Solarzellentypen nutzen organische Materialien oder Perowskit-Strukturen. Sie bieten spannende Möglichkeiten in Bezug auf Kosten, Flexibilität und Transparenz, befinden sich aber noch in der Entwicklungsphase.

Herstellung von Solarzellen

Die Herstellung von Solarzellen erfordert spezialisierte Verfahren zur Reinigung und Verarbeitung von Silizium oder anderen Halbleitermaterialien.

Der Prozess umfasst mehrere Schritte, von der Herstellung des Silizium-Wafers bis zur Montage und Verkapselung der fertigen Zelle.

Leistung und Effizienz von Solarzellen

Die Leistung einer Solarzelle wird durch ihre Größe, das verwendete Material und die Qualität der Herstellung bestimmt. Die Effizienz bezieht sich dabei auf das Verhältnis von erzeugter Energie zur eingestrahlten Sonnenenergie.

Wie effektiv die Zelle funktionieren kann, hängt natürlich auch stark von Umweltfaktoren ab:

• Wo wird sie angebracht?
• In welchem Winkel steht sie zur Sonne steht?
• Findet eine Verschattung statt?
• Wie alt ist die Zelle und in welchem Zustand befindet sie sich?
• Wie ist die generelle Wetterlage vor Ort?

Nachhaltigkeit und Lebensdauer von Solarzellen

Bei vernünftiger Wartung sind Solarzellen eine nachhaltige Energiequelle mit einer Lebensdauer von 20-30 Jahren. [JV1] Sie produzieren keine Schadstoffe während des Betriebs und können am Ende ihrer Lebensdauer recycelt werden.

Gewöhnlich dauert es 5 Jahre[JV2] , bis sie die Energie wieder erzeugt haben, die zu ihrer Herstellung verbraucht wurde und im Schnitt etwa 10 Jahre [JV3] bis sie sich finanziell amortisiert haben.

Zukunftsaussichten für Solarzellen

Mit fortschreitender Forschung und Entwicklung werden Solarzellen immer effizienter und kostengünstiger. Neue Materialien und Designs, wie z.B. Perowskit-Solarzellen oder Tandem Solarzellen (die mehr als eine Schicht von lichtabsorbierenden Materialien verwenden), versprechen noch höhere Effizienzen und vielseitigere Einsatzmöglichkeiten in der Zukunft.

Fazit

In der Photovoltaik sind Solarzellen das Herzstück von Solarmodulen und Photovoltaik-Systemen.

Sie liefern den Strom für private Haushalte, Industrieanlagen und sogar Raumfahrzeuge. Dank der Tatsache, dass sie allein mit Hilfe der Sonnenenergie Strom erzeugen können, spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Umstellung auf erneuerbare Energien.

Kurz gesagt:
Solarzellen konvertieren Sonnenlicht in elektrischen Strom und bestehen aus mehreren Schichten dotierter Halbleiter.
Es existieren mehrere Solarzellentypen mit verschiedener Effizienz, die sich hauptsächlich durch Material und Herstellungsprozess unterscheiden.

Nachgefragt:

Wie effizient sind Solarzellen?

Die Effizienz von Solarzellen variiert je nach Typ und Qualität der Zelle. Monokristalline Solarzellen, die aus einem einzigen, hochreinen Siliziumkristall bestehen, haben im Allgemeinen die höchste Effizienz und können Werte von über 20% erreichen.

Polykristalline Solarzellen haben Effizienzen im Bereich von 15%. Dünnschichttechnologien weisen Effizienzen im Bereich von 10% auf.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Effizienz von Solarzellen unter idealen Laborbedingungen gemessen wird, während die tatsächliche Effizienz in der Praxis aufgrund von Temperatur, Verschattung und anderen Faktoren etwas niedriger sein kann.

Welche Materialien werden in Solarzellen verwendet?

Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium, das in monokristalliner oder polykristalliner Form vorliegen kann. Weil die Erdkruste zu etwa einem Viertel aus Silizium besteht, handelt es sich um einen reichlich vorhandenen Rohstoff, der uns sobald nicht ausgehen wird.

Wie lange halten Solarzellen?

Die Lebensdauer von Solarzellen kann stark variieren, je nachdem, aus welchem Material sie bestehen und wie sie verwendet und gewartet werden. Im Allgemeinen kann man jedoch erwarten, dass hochwertige Silizium-Solarzellen 25-30 Jahre oder länger halten.

Viele Hersteller bieten entsprechende Produktgarantien und es ist nicht ungewöhnlich, dass Solarzellen auch nach Ablauf dieser Zeitspanne noch einen erheblichen Teil ihrer ursprünglichen Leistung liefern.

Allerdings ist zu bemerken, dass die Effizienz von Solarzellen mit der Zeit allmählich abnimmt, in der Regel um etwa 0,5-1% pro Jahr.

Wie kann ich die Leistung meiner Solarzellen maximieren?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Leistung Ihrer Solarzellen zu maximieren. Eine der wichtigsten ist die richtige Ausrichtung und Neigung der Solarzellen zur Sonne, um eine maximale Sonneneinstrahlung zu gewährleisten. Um das zu gewährleisten, nutzen Sie am besten einen Experten für die Installation Ihrer Anlage.

Darüber hinaus sollte Verschattung vermieden werden.

Außerdem ist es wichtig, die Solarzellen sauber zu halten, da Schmutz und Ablagerungen die Menge an Licht reduzieren können, die von den Zellen genutzt werden.

Auch die Verwendung eines Maximum-Power-Point-Trackers im Wechselrichter kann die Leistung verbessern.

Wie umweltfreundlich sind Solarzellen?

Solarzellen sind eine sehr umweltfreundliche Technologie, da sie während ihres Betriebs keine Emissionen erzeugen. Darüber hinaus benötigen sie nach der Installation keine weitere Energieversorgung, sondern nutzen das natürliche Sonnenlicht.

Fakt ist auch, die Herstellung von Solarzellen erfordert Energie und Rohstoffe. Darüber hinaus müssen ausgediente Solarzellen fachgerecht entsorgt oder recycelt werden, um Umweltschäden zu vermeiden.

Dennoch ist die Energie-Rückzahlzeit von Solarzellen in der Regel recht kurz, das heißt, sie erzeugen die Energie, die für ihre Herstellung verwendet wurde, innerhalb weniger Jahre.

Außerdem haben Solarzellen eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten und ein Recyclen ist zumindest möglich. Daher wird ihr Netto-Umweltbeitrag als sehr positiv betrachtet.

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