Wie erzeugt eine Solarzelle Strom?

Inzwischen steigen sehr viele Menschen auf erneuerbare Energien um, da dies nicht nur der Umwelt zu Gute kommt, sondern langfristig auch Kosten einspart.

Es ist sicherlich allen bekannt, dass Photovoltaikanlagen mit Sonnenenergie angetrieben werden, welche in Strom umgewandelt wird. Verantwortlich dafür sind die einzelnen Solarzellen, dessen Funktionsweise auf physikalischen Vorgängen beruht.

Aber was genau passiert denn eigentlich in der Solarzelle? Und wie läuft letztendlich die Stromgewinnung ab?

Die Solarzelle – kleinster Bestandteil der Photovoltaikanlage

Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten, wie Wechselrichter, Stromspeicher – und die Solarmodule, die auf Dächern, in Gärten, oder an Häuserwänden etc. montiert werden. Das Solarmodul besteht aus vielen aneinandergereihten Solarzellen, die für die Umwandlung von Sonnenenergie zuständig sind, und dadurch den Solarstrom erzeugen.

Die Silizium-Solarzelle ist das kleinste Element in einer PV-Anlage. Sie befinden sich auf dem Trägermaterial, -meistens Glas-, und ist an Vorder- sowie Rückseite durch weitere Stoffe vor Witterungseinflüssen geschützt. Über den Solarzellen befindet sich außerdem eine Antireflexschicht, die Lichtreflexionen vermeidet und somit Energieverlust vorbeugt.

Aufbau der Solarzelle

In der Regelt funktioniert eine Solarzelle mit Silizium. Silizium besitzt halbleitende Eigenschaften, die durch Energien wie Licht und Wärme, angeregt werden. Halbleiter können durch andere chemische Elemente beeinflusst werden, was eine p- und n-Dotierung ermöglicht. Diese Silizium-Zelltypen bestehen aus 3 Hauptschichten:

1. Schicht mit n-dotiertem Silizium: In dieser Schicht befindet sich Silizium und Phosphor. Siliziumatome besitzen immer 4 Außenelektronen, während Phosphor 5 Elektronen besitzt. Bei einer Verbindung bleibt dementsprechend immer 1 freies Elektron über, wodurch ein Elektronenüberschuss entsteht, der für die negative Ladung der Schicht verantwortlich ist.
2. Schicht mit p-dotiertem Silizium: Die p-dotierte Schicht enthält Silizium und Bor. Bor-Atome besitzen dagegen nur 3 Außenelektronen, weshalb bei einer Verbindung mit Silizium ein Elektronenmangel entsteht, was eine positive Ladung der Schicht bedeutet.
3. Grenzschicht: Die neutrale Grenzschicht entsteht direkt dazwischen und wird auch p-n-Übergang genannt.

Des Weiteren besitzt die Solarzelle Metallkontakte, die die erzeugte elektrische Energie weiterleiten.

Wie erzeugt die Solarzelle Strom?

1. Ausgangssituation: Das elektrische Feld

Die Zelle besitzt also eine positiv- und eine negativ geladene Schicht. In der Mitte bildet sich eine Grenzschicht, in der es zu einem Ladungsausgleich kommt:

Einige Bor-Atome aus der p-dotierten Schicht nehmen ein überschüssiges Elektron aus der n-dotierten Schicht auf – und werden damit neutral. Es entsteht die neutrale Grenzschicht, mit Bor- und Phosphoratomen, die dann jeweils 4 Elektronen besitzen. Durch diesen Austausch ist die Umgebung der n-dotierte Schicht nun positiver geladen, während die p-dotierte Schicht nun negativ ist. Es entstehen zwei Pole. Durch diese Grenzschicht, den p-n-Übergang, wird ein weiterer Austausch der beiden unterschiedlich geladenen Schichten verhindert. In der Solarzelle bildet sich somit ein stabiles elektrisches Feld.

2. Leitfähigkeit durch Sonnenenergie

Scheint nun die Sonne, treffen die Photonen aus dem Sonnenlicht auf die Grenzschicht.

Die Elektronen werden dadurch auf ein höheres Energieniveau gehoben und frei beweglich gemacht. Das hinzugeführte Elektron löst sich wieder aus der Verbindung mit dem Bor-Atom. Dieses negativ geladene Elektron wird dann von der inzwischen positiv geladenen n-dotierten Schicht angezogen.

3. Geschlossener Stromkreis

Doch an der oberen und unteren Seite der Solarzelle befinden sich Metallkontakte, die mit einem Kabel zu einem Stromkreis verbunden sind, in dem auch der Verbraucher integriert ist.

Die Elektronen werden durch den oberen Metallkontakt über den Verbraucher geleitet, und gelangen anschließend über den unteren Metallkontakt wieder zur Unterseite der Solarzelle: der negativ geladenen p-dotierten Schicht. Das ganze rückt nach und wiederholt sich nun unaufhaltsam – solange die Sonne scheint. Entstanden ist ein stromerzeugender Energiefluss – der geschlossene Stromkreis.

Arten von Solarzellen

Viele Solarzellen bestehen aus dem Halbleiter Silizium. Es gibt allerdings noch weitere Zelltypen, die sich bereits in Gebrauch oder noch in der Forschung befinden. Diese bestehen aus unterschiedlichen Materialien und Stoffen mit verschiedenen Vorgehensweisen.

Letztendlich ist das Prinzip aber bei allen gleich: Um Strom zu erzeugen, muss ein elektrisches Feld geschaffen-, und mithilfe der Sonne ein Energiefluss durch Elektronen in Gang gebracht werden.

Solarzellen mit Silizium als Halbleiter

Monokristalline Zellen: Eine Monokristalline Solarzelle besteht aus Siliziumscheiben, die aus einem einzelnen gezüchteten Siliziumkristall geschnitten werden. Das Verfahren dafür ist aufwendig, aber effektiv.

Polykristalline Zellen: Bei Polykristallinen Solarzellen wird kein eigener Kristall gezüchtet, denn dieser wird aus mehreren kleinen Siliziumkristallen zusammengesetzt. Der entstandene Kristall wird ebenfalls in Scheiben geschnitten, woraus die Solarzelle zusammengesetzt wird.

Dünnschicht-Solarzellen (Amorphes Silizium): Diese Dünnschichtzellen bestehen aus einem Trägermaterial, auf das eine sehr dünne Schicht aus nicht-kristallinem Silizium aufgedampft wird.

Solarzellen aus anderen Materialien

CIGS Solarzellen: Es gibt neben Amorphem Silizium noch weitere Materialien, die für Dünnschichtzellen benutzt werden können. So zum Beispiel Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, das als Halbleiter fungiert und für die sogenannte CIGS-Solarzelle eingesetzt wird.

Farbstoffzellen: Bei Farbstoffzellen wird anstelle eines Halbleiters, ein Farbstoff eingesetzt. Dieser absorbiert das Sonnenlicht und setzt dadurch die Elektronen frei, die mithilfe weiterer chemischer Beschichtungen weitergeleitet werden. Das Prinzip ist an die natürliche Photosynthese angelehnt.

Organische Dünnschichtzellen: Die organischen Dünnschichtzellen bestehen aus Kunststoffen, die auf Kohlen-Wasserstoff-Verbindungen beruhen. Diese sind ebenfalls Halbleitermaterial.

Tandem Solarzellen: Für Tandem-Zellen werden mehrere Solarzellen aus verschiedenen halbleitenden Materialien benutzt und übereinander gelegt. Die Zellen bestehen jeweils aus einer Top- und einer Bottom-Schicht, die wiederum jeweils unterschiedliche Wellenlängen des Lichtspektrums aufnehmen und umwandeln können. Dadurch soll sich ein höherer Wirkungsgrad der Solarzelle ergeben.

Warum braucht man Halbleiter für eine Solarzelle?

Halbleiter sind Materialien, die unter bestimmten Bedingungen Strom leiten oder als Isolatoren wirken können. Sie sind wichtig für Solarzellen, die das Sonnenlicht in Strom umwandeln.

Solarzellen bestehen aus einer großen Anzahl miteinander verbundener Photodioden, das sind Halbleiterbauteile, die bei Lichteinfall einen elektrischen Strom erzeugen.

Der am häufigsten verwendete Halbleiter für kristalline Solarzellen ist Silizium, aber auch andere Halbleiter wie Galliumarsenid, Cadmiumsulfid oder Zinkselenid werden in Dünnschichtsolarzellen verwendet. Ohne Halbleiter würden die Solarzellen nicht funktionieren.

Wieviel Spannung hat eine Solarzelle?

Wie hoch die Spannung einer Solarzelle ist, hängt von dem Material ab, aus dem sie besteht, und von der Menge des Sonnenlichts, dem sie ausgesetzt ist.

Eine Solarzelle hat in der Regel eine Spannung von 0,60 bis 0,68 Volt im Leerlauf, d.h. wenn keine Last angeschlossen ist, wie z.B. eine Batterie oder eine Glühbirne. Die Spannung sinkt, wenn eine Last angeschlossen ist, z. B. wenn die Solarzelle zum Betrieb eines Geräts verwendet wird.

Warum funktionieren Solarzellen ausschließlich mit Sonnenlicht?

Wenn Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, absorbiert das Silizium die Photonen und setzt Elektronen frei. Die Elektronen fließen durch die Zelle und erzeugen einen elektrischen Strom.

Silizium-Solarzellen funktionieren nur mit Sonnenlicht, weil sie auf die Photonen im Sonnenlicht angewiesen sind, um den elektrischen Strom zu erzeugen. Photonen sind Lichtteilchen, und das Sonnenlicht besteht aus einem breiten Spektrum von Photonen mit unterschiedlichen Energien.

Solarzellen können nur für Photonen in einem bestimmten Energiespektrum optimiert werden. Falls dieser Fall nicht eintreten sollte, können die Photonen nicht absorbiert werden, wodurch sie dann auch nicht in Strom umgewandelt werden können.

Solarzellen können jedoch auch im Schatten oder ohne Sonne Strom erzeugen. Die Zellen absorbieren die in der diffusen Strahlung enthaltenen Lichtmoleküle und erzeugen daraus Solarstrom. Allerdings erzeugen Solarzellen unter diesen Bedingungen nur eine geringe Menge an Strom, da sie nicht dem direkten Sonnenlicht ausgesetzt sind.

Wieviel Zellen hat ein Solarmodul?

Solarmodule bestehen aus einer Reihe von Solarzellen. Die gängigste Art von Solarzellen besteht aus Silizium, und der Aufbau einer Solarzelle misst in der Regel 156 mm x 156 mm oder 6 Zoll. Die meisten Solarmodule, die auf privaten Dächern verwendet werden, haben 60 dieser Siliziumzellen. 

Kann man eine Solarzelle selber bauen?

Solarzellen sind eine tolle Möglichkeit, Strom aus erneuerbaren Ressourcen zu erzeugen. In diesem Projekt zeigen wir dir, wie du eine Solarzelle selbst bauen kannst.

1. Als erstes nimmst du eine mit TiO2 beschichtete Glasplatte und legst sie für fünf Minuten in Hibiskustee. Dadurch wird die Beschichtung lila gefärbt.
2. Während die Titandioxidplatte eingefärbt wird, kannst du die Gegenelektrode vorbereiten. Dazu reinigst du zunächst die leitende Seite der Platte mit Wasser und einem Reinigungstuch. Du musst diese Glasplatte mit Graphit beschichten. Dazu nimmst du einen weichen Bleistift und streichst die Oberfläche damit ein.
3. Nachdem die Titandioxidelektrode eingefärbt wurde, musst du sie unter Wasser abspülen, damit der überschüssige Farbstoff abgespült wird. Wenn du das nicht tust, wird die Solarzelle nicht richtig funktionieren. Trockne die Elektrode mit einem Haartrockner.
4. Als Nächstes legst du die beiden Glasplatten übereinander und versetzst sie leicht, damit die Spannung abgeleitet werden kann.
5. Zum Schluss lässt du Jodlösung zwischen die Glasplatten laufen. Wenn du ein Multimeter angeschlossen hast, kannst du jetzt sehen, wie eine Spannung angezeigt wird, wenn der Raum beleuchtet wird.

Mit ein wenig Aufwand kannst du deine eigene Solarzelle bauen und die Vorteile dieser sauberen, erneuerbaren Energiequelle nutzen.

Vorteile von Solarenergie

Warum sind Solarzellen umweltfreundlich?

Die Solartechnik basiert auf natürlichen Ressourcen und physikalischen Vorgängen, die umweltschonend, klimaneutral und erneuerbar sind.

Während unser herkömmlicher Strom aus fossiler Energie erzeugt wird, die durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen wie Kohle und Erdöl gewonnen wird; ziehen Solarzellen ihre Energie direkt aus dem Sonnenlicht, das den Energiefluss der Elektronen anregt.

Solarenergie verbraucht bei der Stromerzeugung also keine fossilen Energieträger, und ist somit ressourcen-schonend. Da Solarenergie nicht durch Verbrennung erzeugt wird, wird auch kein CO2 freigesetzt. Ohne CO2 Ausstoß kann dem Klima nicht geschadet werden.

Mit Solaranlagen werden Stromkosten eingespart

Sonnenergie ist kostenlos. Durch eine PV-Anlage mit Stromspeicher kann die Nutzung von dem üblichen Netzstrom verringert oder sogar komplett verhindert werden. Es müssen also keine Stromkosten mehr durch zusätzlichen, herkömmlichen Strom gezahlt werden.

Die Einsparungen der Stromkosten gleichen nach einiger Zeit die Anschaffungskosten der Photovoltaik-Anlage aus. Es gibt viele verschiedenen Förderprogramme, die Kredite anbieten, mit denen eine Solaranlage für jedermann realisierbar ist.

Es gibt viele verschiedene Arten von Solarzellen, einige davon befinden sich noch im Forschungsstadium. In Zukunft kann die Energiegewinnung und der Wirkungsgrad der Solarzellen also noch verbessert werden. Die Nutzung von erneuerbaren Energien wird immer effizienter – und schützt natürlich unsere Umwelt.