Arten von Solarzellen
Photovoltaik Ratgeber
Solarzellen erzeugen aus Sonnenlicht Strom - das ist allgemein bekannt.
Doch wie funktioniert das genau?
Welche Bedeutung haben Solarzellen heute und in Zukunft für die Energieversorgung in Deutschland?
In diesem Ratgeber erklären wir, wie eine Solarzelle aufgebaut ist und wie die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie abläuft. Außerdem erläutern wir, welche Faktoren die Leistung von Solarzellen beeinflussen und welche Arten von Solarzellen es gibt. Abschließend werfen wir einen Blick auf die zukünftige Entwicklung dieser Technologie.
Inhaltsverzeichnis
Aufbau und Funktion von Solarzellen
Kurzer Exkurs: Solarzelle, Solarmodul und Solaranlage - was sind die Unterschiede?
Was ist eine Solarzelle?
Eine Solarzelle ist ein kleines, aber faszinierendes Bauelement, das es ermöglicht, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Umwandlung erfolgt durch den sogenannten photovoltaischen Effekt. Doch wie funktioniert das genau?
Wenn Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, regt es die Elektronen im Material der Zelle an, sich zu bewegen. Dies erzeugt eine Spannung zwischen den Anschlüssen der Zelle. Diese Spannung ist der erste Schritt, um aus Licht Strom zu machen. Der erzeugte Strom kann dann genutzt werden, um elektrische Geräte zu betreiben oder sogar in Akkus gespeichert zu werden.
Stellen wir uns eine Solarzelle also als „Lichtfänger“ vor: Sie nimmt das Sonnenlicht auf und wandelt es in nutzbaren Strom um. Wenn viele dieser Zellen miteinander verbunden werden, entsteht ein Solarmodul, das genug Energie liefert, um ein Haus oder ein anderes Gebäude mit Strom zu versorgen. So können Solarzellen eine wichtige Rolle in der Nutzung erneuerbarer Energien spielen und zur Reduzierung unseres CO2-Ausstoßes beitragen.
Aufbau und Funktion von Solarzellen
Wie ganau wandelt eine Solarzelle Sonnenlicht in Strom um? Entdecke hier die verschiedenen Komponenten und Prozesse, die diese Umwandlung ermöglichen.
Wie sind Solarzellen aufgebaut?
Eine Solarzelle besteht aus mehreren Schichten, die zusammenwirken, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Zentraler Bestandteil ist dabei das Halbleitermaterial, meist Silizium, das in zwei unterschiedlich dotierte Schichten aufgeteilt ist.
- Vorderer Metallkontakt: Dieser dünne Metallgitterkontakt an der Oberseite der Solarzelle lässt Licht in die Zelle eindringen und leitet gleichzeitig den erzeugten Strom ab.
- N-dotiertes Silizium: Diese oberste Schicht besteht meist aus Silizium, das mit einem Element wie Phosphor dotiert ist, wodurch ein Überschuss an freien Elektronen (negative Ladungsträger) entsteht.
- P-N-Übergang (Grenzschicht): An der Grenzfläche zwischen der n-dotierten und der darunter liegenden p-dotierten Siliziumschicht bildet sich ein elektrisches Feld. Dieses Feld trennt die durch das Sonnenlicht freigesetzten Elektronen und Löcher (positive Ladungsträger), wodurch eine elektrische Spannung entsteht.
- P-dotiertes Silizium: Diese untere Schicht besteht ebenfalls oft aus Silizium, das mit einem Element wie Bor dotiert ist. Dies führt zu einem Elektronenmangel, so dass diese Schicht positiv geladen ist und die durch den P-N-Übergang getrennten Elektronen aufnehmen kann.
- Rückseitiger Metallkontakt: Diese Schicht auf der Rückseite der Solarpanels sammelt die Elektronen und leitet den erzeugten Strom aus der Solarzelle ab.
Wie funktionieren Solarzellen?
Die Energieträger für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie sind Photonen. Wenn diese Photonen auf die Halbleiterschicht deiner Solarzelle treffen, schlagen sie Elektronen aus den Atomen heraus. Diese Elektronen bewegen sich dann: Die negativ geladenen Elektronen wandern zur n-dotierten Schicht, während die positiv geladenen „Löcher“ zur p-dotierten Schicht wandern.
Durch die Bewegung der Elektronen entsteht in der Übergangsschicht zwischen den beiden Halbleitern eine elektrische Spannung. Diese Spannung wird als Gleichstrom (DC) über die Metallkontakte abgeleitet. Da die Spannung in einer einzelnen Solarzelle relativ gering ist, braucht man viele Solarzellen, um genügend Strom zu erzeugen - zum Beispiel genug, um ein Einfamilienhaus zu versorgen.
Der erzeugte Gleichstrom (DC) muss dann mit einem Wechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden, damit er im Haushalt genutzt werden kann.
Kurzer Exkurs
Solarzelle, Solarmodul und Solaranlage - was sind die Unterschiede?
Die Begriffe Solarzelle und Solarmodul werden oft synonym verwendet, obwohl es sich um unterschiedliche Komponenten einer Solaranlage handelt.
Die Solarzelle ist die kleinste Komponente und die Einheit, in der die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie stattfindet. Da eine einzelne Solarzelle nicht genügend Energie liefert, um nennenswerte Mengen an Strom zu erzeugen, werden die Zellen zu einem Solarmodul zusammengesetzt.
Eine Solaranlage, auch Photovoltaikanlage genannt, besteht aus mehreren dieser Solarmodule. Diese werden miteinander verbunden und über einen Wechselrichter an das Hausnetz angeschlossen, so dass der erzeugte Strom im Alltag genutzt werden kann.
Gibt es unterschiedliche Arten von Solarzellen?
Solarzellen sind das Herzstück der Solarenergie, aber es gibt verschiedene Arten von Solarzellen, von denen jede ihre eigenen Eigenschaften und Vorteile hat. Hier erfährst du mehr über die Unterschiede und Besonderheiten der verschiedenen Typen.
Silizium Solarzellen
Silizium Solarzellen gehören zu den am weitesten verbreiteten Technologien zur Erzeugung von Solarstrom. Seit ihrer Einführung haben sie sich als äußerst zuverlässig und effizient erwiesen. Diese Zellen bestehen hauptsächlich aus Silizium, einem Halbleitermaterial, das aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften ideal für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie geeignet ist.
Ein wesentlicher Vorteil von Silizium ist seine breite Verfügbarkeit und seine relativ günstige Beschaffung. Diese Faktoren haben dazu beigetragen, dass Silizium Solarzellen in der Solarindustrie sehr beliebt sind.
Es gibt zwei Haupttypen: monokristalline und polykristalline Solarzellen. Monokristalline Zellen bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall und haben einen hohen Wirkungsgrad. Polykristalline Zellen hingegen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen, sind etwas günstiger in der Herstellung, haben aber einen geringeren Wirkungsgrad.
Ein großer Vorteil von Silizium-Solarzellen ist ihre Langlebigkeit. Sie sind dafür bekannt, über viele Jahre hinweg zuverlässig Strom zu erzeugen - oft mehr als 25 Jahre lang. Diese Langlebigkeit hat sie zur bevorzugten Wahl für Solaranlagen auf der ganzen Welt gemacht.
Aber es gibt auch Herausforderungen. Die Herstellung von Silizium-Solarzellen ist energieintensiv und erfordert große Mengen Silizium. Obwohl die Produktionskosten in den letzten Jahren gesunken sind, ist die Herstellung im Vergleich zu anderen Technologien immer noch relativ teuer.
Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen gehören zu den fortschrittlichsten und effizientesten Solarzellentypen, die derzeit verfügbar sind. Sie bestehen aus einem einzigen durchgehenden Siliziumkristall, der nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt wird. Bei diesem Verfahren wird Silizium geschmolzen und ein Kristallkeim in die Schmelze eingebracht, wodurch ein großer, einheitlicher Kristall entsteht.
Der Hauptvorteil monokristalliner Solarzellen ist ihr hoher Wirkungsgrad. Diese Solarzellen wandeln zwischen 15 und 20 Prozent des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Damit sind sie besonders effizient und benötigen weniger Fläche, um die gleiche Menge Strom zu erzeugen wie andere Zelltypen. Daher eignen sie sich besonders für begrenzte Flächen wie kleine Dächer oder in städtischer Umgebung.
Darüber hinaus zeichnen sich monokristalline Solarzellen durch ihre Langlebigkeit und Stabilität aus. Ihre Leistung bleibt oft über 25 Jahre weitgehend konstant. Ihr gleichmäßiges, dunkles Erscheinungsbild wird von vielen als ästhetisch ansprechend empfunden, wodurch sie auf Dächern optisch weniger auffallen.
Der Einsatz von monokristallinen Solarzellen ist jedoch nicht unproblematisch. Ihre Herstellung ist aufwändig und teuer, da sie eine hohe Reinheit und spezielle Verarbeitungsverfahren erfordert. Dies führt zu höheren Kosten pro Watt im Vergleich zu anderen Solarzellen. Zudem ist die Gewinnung und Verarbeitung des Siliziums energieintensiv, was zu höheren Materialkosten führen kann. Auch wenn sie insgesamt gut temperaturverträglich sind, können sie bei extrem hohen Temperaturen etwas an Wirkungsgrad verlieren.
Polykristalline Solarzellen
Polykristalline Solarmodule, auch multikristalline PV-Module genannt, sind eine weit verbreitete Technologie in der Solarenergiebranche. Sie bestehen aus mehreren Siliziumkristallen, die zu einer Solarmodulscheibe zusammengefügt werden. Der Herstellungsprozess beginnt mit dem Schmelzen von Silizium, das anschließend zu Blöcken erstarrt und in dünne Scheiben geschnitten wird. Diese Wafer bilden die Basis der Solarzellen. Im Vergleich zu monokristallinen Zellen ist das Verfahren weniger aufwendig und kostengünstiger, da weniger reines Silizium benötigt wird.
Ein wesentlicher Vorteil polykristalliner Solarzellen ist daher ihre Kosteneffizienz. Da die Herstellung weniger energieintensiv ist und die Materialkosten geringer sind, sind polykristalline Module in der Regel günstiger. Das macht sie besonders attraktiv für eine größere PV-Anlage oder Projekte, bei denen der Preis eine entscheidende Rolle spielt.
Polykristalline Solarzellen bieten auch eine gute Leistung bei diffusem Licht, z. B. an bewölkten Tagen, was sie flexibel für unterschiedliche Wetterbedingungen macht. Sie haben jedoch auch einige Nachteile. Der Wirkungsgrad polykristalliner Zellen liegt typischerweise zwischen 13 und 16 Prozent und damit etwas niedriger als der monokristalliner Zellen. Das bedeutet, dass sie mehr Fläche benötigen, um die gleiche Menge Strom zu erzeugen. Außerdem haben sie oft ein unregelmäßiges, fleckiges Aussehen, das von manchen als weniger ästhetisch empfunden wird. Auch die Temperaturstabilität ist etwas geringer als bei monokristallinen Zellen, was bei sehr hohen Temperaturen zu einem höheren Leistungsverlust führen kann.
Dünnschicht Solarmodule
Dünnschicht Solarzellen bestehen aus sehr dünnen Schichten lichtempfindlichen Materials, die auf flexible oder starre Trägermaterialien wie Glas, Kunststoff oder Metall aufgebracht werden. Diese dünnen, nur wenige Mikrometer dicken Schichten können verschiedene Materialien wie Cadmiumtellurid (CdTe), amorphes Silizium (a-Si) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) enthalten.
Der Herstellungsprozess von Dünnschicht Solarzellen ist im Vergleich zu anderen Technologien relativ einfach und kostengünstig. Die dünnen Schichten werden mit Verfahren wie der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) oder der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht.
Ein großer Vorteil von Dünnschicht Solarzellen ist ihre Flexibilität. Sie können auf gekrümmten oder ungewöhnlich geformten Oberflächen angebracht werden, da sie auf flexiblen Trägermaterialien basieren. Dies eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten wie die Integration in Solarfassaden oder tragbare Solargeräte. Zudem sind die Zellen aufgrund ihrer dünnen Schichten besonders leicht, was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen das Gewicht eine Rolle spielt, wie etwa auf Dächern oder in mobilen Geräten.
Dünnschicht Solarzellen haben jedoch auch ihre Nachteile. Ihr Wirkungsgrad liegt typischerweise zwischen 10 und 12 Prozent und ist damit niedriger als bei mono- oder polykristallinen Solarzellen. Das bedeutet, dass sie mehr Fläche benötigen, um die gleiche Menge Strom zu erzeugen. Dieser geringere Wirkungsgrad macht sie weniger geeignet für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot. Auch die Lebensdauer und Langzeitstabilität von Dünnschicht PV-Modulen kann geringer sein. So kann bei amorphen Siliziumzellen das Phänomen der „Lichtalterung“ auftreten, bei dem die Leistung in den ersten Monaten nach der Installation abnimmt.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Umweltverträglichkeit. Einige Dünnschicht Solarzellen enthalten Materialien wie Cadmium, die potenzielle Umwelt- und Gesundheitsrisiken darstellen können. Daher ist es wichtig, dass diese Materialien sicher verarbeitet und recycelt werden, um negative Auswirkungen zu minimieren.
Solarzelle der Zukunft
Drei vielversprechende Solarzellentypen, die derzeit intensiv erforscht werden, sind Perowskit-Solarzellen, Nanodraht-Solarzellen und Farbstoffsolarzellen. Diese innovativen Ansätze zielen darauf ab, sowohl die Produktionskosten zu senken als auch die Effizienz der Energieumwandlung zu verbessern.
Perowskit-Solarzellen sind nach dem Mineral Perowskit benannt, dessen kristalline Struktur in diesen Zellen genutzt wird. Diese Solarzellen bieten bereits heute beeindruckende Wirkungsgrade von über 25 Prozent. Ein wesentlicher Vorteil von Perowskit-Solarzellen ist, dass sie aus kostengünstigen Materialien hergestellt werden können, was die Produktionskosten senken könnte. Zudem ist der Herstellungsprozess vergleichsweise einfach und weniger energieintensiv als bei herkömmlichen Siliziumzellen. Dennoch stehen Perowskit-Solarzellen vor Herausforderungen wie Langzeitstabilität und Umweltverträglichkeit. Die Technologie befindet sich noch in der Entwicklungsphase und es bleibt abzuwarten, wann sie auf breiter Basis kommerziell verfügbar sein wird.
Eine weitere vielversprechende Entwicklung sind Nanodraht-Solarzellen. Bei dieser Technologie werden winzige Nanodrähte aus Halbleitermaterialien wie Silizium oder Germanium verwendet. Diese Drähte haben eine große Oberfläche, die eine hohe Lichtabsorption ermöglicht, und gleichzeitig eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Dadurch können diese Solarzellen theoretisch hohe Wirkungsgrade erreichen und gleichzeitig die Materialkosten senken. Außerdem könnten sie flexibler und leichter sein, was ihre Integration in verschiedene Anwendungen erleichtern würde. Allerdings sind noch zahlreiche Herausforderungen zu bewältigen, insbesondere in Bezug auf die Herstellungskosten und die Zuverlässigkeit dieser Technologie.
Farbstoffsolarzellen nutzen organische Farbstoffe oder Moleküle, um Licht zu absorbieren und in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Zellen sind relativ einfach und kostengünstig herzustellen und können auf flexible Trägermaterialien aufgebracht werden. Dies eröffnet Möglichkeiten für Anwendungen wie transparente Solarpaneele oder tragbare Geräte. Allerdings haben Farbstoffsolarzellen im Vergleich zu anderen Technologien derzeit noch geringere Wirkungsgrade und eine begrenzte Lebensdauer. Auch hier sind noch erhebliche Fortschritte bei Wirkungsgrad und Lebensdauer erforderlich, bevor diese Technologie als ernsthafte Alternative zu herkömmlichen Solarzellen angesehen werden kann.
Die drei Technologien bieten zwar vielversprechende Ansätze zur Verbesserung der solaren Energiegewinnung, sind aber noch nicht in der Lage, etablierte Solarzellentypen wie mono- oder polykristalline Solarzellen zu ersetzen. Wann und ob diese neuen Technologien in großem Maßstab auf den Markt kommen und die bestehenden Solarzellentechnologien ergänzen oder ersetzen werden, ist derzeit offen.
Welche Art von Solarzellen sollte ich wählen?
Die Wahl des richtigen Solarmoduls für ein Gebäude hängt stark von den spezifischen Anforderungen und dem verfügbaren Platz ab. Verschiedene Arten von Solarmodulen bieten unterschiedliche Vorteile, die je nach Situation und Zielsetzung variieren können.
Wenn der Platz auf dem Dach begrenzt ist, ist es besonders wichtig, ihn optimal zu nutzen, um so viel Solarenergie wie möglich zu erzeugen. In diesem Fall sollten Solarmodule mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt werden. Diese Module sind so konstruiert, dass sie einen höheren Anteil des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln. Das bedeutet, dass mit weniger Modulen mehr Energie erzeugt werden kann.
Wenn du jedoch genügend Platz auf deinem Dach hast, kannst du eine größere Anzahl von Solarmodulen installieren. In diesem Fall kannst du billigere Module wählen, die möglicherweise einen geringeren Wirkungsgrad haben. Durch die geringeren Kosten pro Modul kann eine größere Fläche mit Solarmodulen bedeckt werden, was insgesamt zu einer höheren Energieproduktion führt.
Neben Platz- und Kostenfaktoren spielen bei der Wahl der Solarmodule weitere Aspekte eine Rolle. Dazu gehören die klimatischen Bedingungen der Region, die Ausrichtung und Neigung des Daches sowie die langfristigen Wartungs- und Betriebskosten. Hochleistungsmodule sind oft robuster und langlebiger und eignen sich daher besonders für begrenzte Flächen, auch wenn sie in der Anschaffung teurer sein können. Kostengünstigere Module können in größerer Anzahl eingesetzt werden, haben aber möglicherweise eine geringere Leistung und eine kürzere Lebensdauer.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wahl des geeigneten Solarmoduls von einer sorgfältigen Abwägung der verfügbaren Fläche, des Budgets, der Effizienzanforderungen und der langfristigen Ziele abhängt. Während Hochleistungsmodule ideal für begrenzte Flächen sind, ermöglichen kostengünstigere Module eine maximale Nutzung der Dachfläche. Es ist wichtig, alle diese Faktoren zu berücksichtigen, um die optimale Lösung für die individuelle Situation zu finden.