Solarzellen: Aufbau und Funktion

Wichtigster Bestandteil einer Photovoltaikanlage sind die darin enthaltenen Solarzellen: Sie wandeln die Energie der Sonne in elektrische Energie um. Der so entstehende Gleichstrom wird über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, welcher schließlich im Haushalt verwendet werden kann.

Aufbau einer Solarzelle

Um das Funktionsprinzip einer Solarzelle verstehen zu können, bietet sich die Betrachtung ihres Aufbaus an. Solarzellen sind im Prinzip in Reihe geschaltete Halbleiterdioden. Bei einer Diode handelt es sich um ein elektronisches Bauteil, das den Stromfluss nur in eine Richtung zulässt.

Die meisten Solarzellen bestehen aus dem Halbleiter Silizium – ein häufig vorkommendes Element, das aus Quarzsand gewonnen wird. Halbleiter verhalten sich zunächst wie Isolatoren. Über die Zufuhr von Energie, beispielsweise Licht oder Wärme, werden sie leitfähig. Um die Leitfähigkeit weiter zu verbessern, fügt man dem Halbleiter Fremdatome zu.

Tauchen wir etwas tiefer in die Physik ein: Jeder Stoff besteht aus einzelnen Atomen. Ein Atom besitzt immer einen positiv geladenen Kern und eine Außenhülle mit negativ geladenen Elektronen. Siliziumatome haben vier Außenelektronen.

Eine Solarzelle setzt sich aus zwei Siliziumschichten zusammen. Damit Strom fließen kann, werden in die Siliziumschichten gezielt Materialien mit einer größeren oder geringeren Anzahl an Außenelektronen eingefügt – sie werden dotiert.

Der einen Siliziumschicht wird häufig Phosphor beigemischt, dessen Atome fünf Außenelektronen besitzen. Verbindet es sich mit dem Silizium in einem Gitter - Silizium hat vier Außenelektronen -  entsteht ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen. Man spricht deshalb auch von einer negativ dotierten Schicht, kurz: n-Schicht.

In der anderen Siliziumschicht kommt oft Bor zum Einsatz. Bor-Atome haben nur drei Elektronen in ihrer Außenhülle – also ein Elektron weniger, als zum Einbau in Silizium nötig ist. Dadurch entstehen „Löcher“, die positiv geladen sind. Diese Schicht wird als positive Schicht oder p-Schicht bezeichnet.

Werden die beiden Schichten nun zusammengebracht, findet ein Ladungsausgleich statt: Um ein Gleichgewicht zwischen Elektronenüberschuss und Elektronenmangel herzustellen, wandern die Elektronen der n-Schicht in die freien „Löcher“ der p-Schicht. Dadurch entsteht innerhalb der Solarzelle eine Grenzschicht, auch „p-n-Übergang“ genannt. Diese Grenzschicht trennt die beiden geladenen Schichten voneinander und verhindert einen weiteren Ladungsausgleich – es entsteht ein stabiles elektrisches Feld.

Wie kommt es nun zum Stromfluss in der Solarzelle? Physikalisch gesehen, ist der Fluss elektrischen Stroms nichts anderes als der Transport von elektrischen Ladungsträgern. Damit dieser bei der Photovoltaik in Gang gesetzt wird, müssen also frei bewegliche Elektronen in der Solarzelle produziert werden. Hier kommt die Sonne ins Spiel.

Trifft Sonnenlicht auf die Solarzelle, werden die Elektronen in der Grenzschicht angeregt, sich zu bewegen. Sie lösen sich von ihren Atomen und wandern aufgrund der Anziehungskräfte in die p-Schicht. Zurück bleiben positiv geladene „Löcher“, die ihrerseits durch Nachrücken der Elektronen in die n-Schicht wandern.

Über Metallkontakte an der n- und der p-Seite der Solarzelle, meist aus Aluminium oder Silber bestehend, werden die Elektronen abgeleitet. Sie bewegen sich durch eine Leiterbahn zum entgegensetzen Pol – es fließt elektrischer Strom.

Je stärker die Sonneneinstrahlung ist, desto mehr Elektronen werden freigesetzt, die dann durch die Grenzschicht gelangen. Oder anders ausgedrückt: Je mehr Licht auf die Solarzelle trifft, desto mehr Strom wird produziert.

Für den Betrieb einer Waschmaschine oder einer Wärmepumpe mittels Photovoltaik reicht der Strom einer einzelnen Solarzelle selbstverständlich nicht aus. Um genügend Energie zu erzeugen, werden mehrere Solarzellen in Solarpanels bzw. Solarmodulen und diese wiederum in einer PV-Anlage zusammengeschaltet.

Die unterschiedlichen Arten von Solarzellen

Nach der Beschaffenheit des Halbleiters werden unterschiedliche Arten von Solarzellen bzw. Solarmodulen unterschieden. Für Hausbesitzer sind vor allem drei Arten interessant: monokristalline sowie polykristalline Solarmodule und Dünnschicht-Solarmodule. 

Auch wenn sich bereits verschiedene Techniken bewährt haben, schreitet die Erforschung von Photovoltaik kontinuierlich voran. In der Entwicklung sind beispielsweise auch Tandem- und Hybrid-Solarzellen. Bei ihnen werden gleich mehrere Schichten von Solarzellen aus unterschiedlichen Materialien auf das Trägermaterial aufgebracht.

Kombiniert werden beispielsweise kristalline mit amorphen Siliziumzellen oder anorganische mit organischen Halbleitern. In jedem Halbleiter-Typen regt nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge die Elektronen an. Durch die Verbindung verschiedener Materialien sollen möglichst alle Wellenlängen des Sonnenlichts für die Stromerzeugung nutzbar gemacht werden. Die Ergebnisse sind vielversprechend: In Laborversuchen wurde eine Effizienz von mehr als 40 % erreicht.

Es gibt bereits serienreife Tandem- und Hybrid-Solaranlagen. Meist werden sie als Sonderanfertigungen in der Industrie eingesetzt. Für Privathäuser ist diese Technologie noch nicht verfügbar.

Fazit: Solarzellen sind erprobt und werden immer effizienter

Egal aus welchem Material Solarzellen bestehen, das Funktionsprinzip ist immer dasselbe: Zum Einsatz kommen ein oder mehrere Halbleiter, die unter der Sonneneinstrahlung leitfähig werden. Unterschiede bestehen jedoch im Wirkungsgrad: Am effizientesten arbeiten monokristalline Solarzellen, gefolgt von polykristallinen Solarzellen und Dünnschicht-Zellen.

Das volle technologische Potenzial ist dabei noch längst nicht ausgeschöpft. Dank stetiger Erforschung der Photovoltaik ist zu erwarten, dass in Zukunft die Wirkungsgrade von Solarzellen weiter steigen werden. Das heißt auch, dass für den gleichen Stromertrag weniger Solarmodule erforderlich sein werden, wodurch die Kosten von Photovoltaikanlagen in den kommenden Jahren weiter sinken dürften.