Solarzellen: Funktionsweise, Anwendungen, Arten
Die Sonne ist die größte verfügbare Energiequelle für die Erde. In einer Stunde liefert sie mehr Energie als die gesamte Menschheit Weltbevölkerung in einem Jahr verbrauchen kann. Und sie ist unerschöpflich: Doch wie können wir diese Ressource nutzen, um unseren wachsenden Energiebedarf zu decken und gleichzeitig die Umwelt zu schonen? Die Antwort liegt in den Solarzellen. In diesem Beitrag tauchen wir ein in die Technologie, die die Kraft der Sonne in elektrische Energie umwandelt und werfen einen Blick auf die neuesten Entwicklungen und Innovationen von Solarzellen.
Was ist Solarenergie und wie lässt sie sich nutzen?
Wie funktioniert Sonnenenergie? Im Prinzip verhält sich die Sonne wie ein riesiger Kernreaktor, in dem Wasserstoff zu Helium verschmilzt. Bei den Kernfusionsprozessen wird Strahlung freigesetzt, die in Form von elektromagnetischen Wellen auf die Erde trifft. Die in der Sonneneinstrahlung enthaltene Energie wird als Solar- oder Sonnenenergie bezeichnet.
Mithilfe einer Solaranlage kann die Solarenergie nutzbar gemacht werden. Es gibt zwei unterschiedliche Typen von Solaranlagen:
Photovoltaik (PV): Photovoltaikanlagen wandeln mithilfe von Solarzellen das Sonnenlicht in Strom um.
Solarthermie: In Solarthermieanlagen wird Wasser durch direkte Sonneneinstrahlung erwärmt. Je nach Größe der Anlage wird dies dann zur Warmwasseraufbereitung und/oder Heizungsunterstützung eingesetzt.
Beide Techniken helfen, den CO₂-Ausstoß zu verringern und die Energiekosten zu senken. Die Photovoltaik besitzt dabei ein besonders großes Potenzial: In Kombination mit anderen erneuerbaren Energien wie Wind- und Wasserkraft wird sie in naher Zukunft den Strom, der mithilfe von fossilen Energieträgern und Atomkraftwerken erzeugt wird, ersetzen. Anfang 2022 waren in Deutschland bereits rund 2,2 Millionen PV-Anlagen installiert. Damit lag der Anteil der Photovoltaik bei 6,3 % der gesamten Stromerzeugung in Deutschland - Tendenz steigend.¹
Den Grundstein für die Stromgewinnung aus Sonnenenergie legte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel im Jahr 1839 mit der Entdeckung des photovoltaischen Effekts. Er stellte fest, dass eine Batterie, die dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, eine höhere Leistung bringt als ohne Licht. Die erste Solarzelle auf der Basis von Silizium baute 1954 die US-amerikanische Firma Bell. Auch heute noch werden die meisten Solarzellen aus Silizium hergestellt – ein Material, das als Bestandteil von Sand auf der Erde in großen Mengen vorhanden ist.
Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?
Um nun zu verstehen, wie eine Solarzelle und damit die Photovoltaik funktioniert, hilft ein Blick auf den Aufbau einer Zelle. Die meisten Solarzellen bestehen aus zwei Schichten Silizium, in die gezielt Fremdatome eingefügt werden. In der Fachsprache heißt das „dotieren“:Welche Funktion haben die verschiedenen Schichten?
Zwischen den beiden Schichten befindet sich eine Grenzschicht, auch p-n-Übergang genannt. Diese besteht aus einem weitestgehend reinen Siliziumkristallgitter. Es gibt keine freien Ladungsträger.
Um den Solarstrom nutzen zu können, befinden sich ober- und unterhalb der Siliziumschichten eine positive und eine negative Elektrode. Zudem ist die Oberseite der Solarzelle mit einer hauchdünnen Antireflexionsschicht überzogen. Sie sorgt dafür, dass das Sonnenlicht nicht reflektiert wird.
n-dotierte Schicht: Dieser Schicht ist meist Phosphor beigemischt. Phosphor-Atome besitzen mehr Außenelektronen als Silizium. Dadurch entsteht ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen in der Siliziumstruktur.
p-dotierte Schicht: Diese Schicht ist oft mit Bor angereichert. Bor-Atome besitzen weniger Außenelektronen als Silizium. In der Siliziumstruktur entstehen positiv geladene „Löcher“.
Funktionsweise der Photovoltaik einfach erklärt: Wie entsteht aus Licht Solarstrom?
Das Sonnenlicht enthält mikroskopisch kleine Energieträger, sogenannte Photonen. Treffen sie auf die Oberfläche der Solarzelle, werden die Elektronen in der Grenzschicht angeregt, sich zu bewegen. Sie lösen sich aus ihren Löchern und wandern aufgrund der Anziehungskräfte nach oben zur n-dotierten Schicht. Die positiven Löcher bewegen sich dagegen nach unten zur p-dotierten Schicht.
An der Oberseite angekommen, werden die Elektronen über die Elektrode und eine entsprechende Verkabelung abgeleitet. Anschließend gelangen sie zur Unterseite der Solarzelle – der Stromkreis ist geschlossen. Solange die Sonne scheint, fließt Strom. Dabei gilt: Je mehr Licht auf die Solarzellen trifft, desto mehr Solarstrom wird produziert.
Welche Arten von Solarzellen gibt es?
Eine einzige Solarzelle reicht nicht aus, um euer ganzes Haus mit Energie zu versorgen. Deshalb werden mehrere Solarzellen zu einem Solarmodul verschaltet. Leistung und Anschaffungskosten hängen von der Art der verbauten Solarzellen ab. Für Privathaushalte sind fünf verschiedene Typen von Solarzellen interessant:
Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen bestehen aus reinem Silizium. Ihre Herstellung ist sehr aufwendig, was mit vergleichsweise hohen Anschaffungskosten verbunden ist. Dafür sind monokristalline Solarzellen die effektivste Form der Photovoltaik. Sie werden bevorzugt dort eingesetzt, wo mit einem hohen Anteil direkter Sonneneinstrahlung zu rechnen ist. Die von Lichtblick eingesetzten Module bestehen in der Regel aus monokristallinen Solarzellen.
Polykristalline Solarzellen
Polykristalline Solarzellen bestehen aus vielen unterschiedlich großen Siliziumkristallen. Da es an den Grenzen der Kristallflächen zu Verlusten kommt, besitzen sie einen geringeren Wirkungsgrad als monokristalline Solarzellen. Allerdings ist der Herstellungsprozess einfacher, was sich in geringeren Anschaffungskosten äußert. Zudem wird zur Produktion weniger Energie benötigt.
Dünnschicht-Solarzellen
Dünnschicht-Solarzellen besitzen eine amorphe, nichtkristalline Struktur. Das Halbleitermaterial, meist Silizium, wird mit anderen Bestandteilen vermischt und in einer hauchdünnen Schicht auf einem Trägermaterial aufgetragen. Dieser Prozess ist relativ unkompliziert und erfordert nur wenige Ressourcen. Das macht Dünnschicht-Zellen deutlich günstiger als kristalline Solarzellen. Zudem sind sie sehr flexibel und leicht. Ihr Nachteil liegt im geringen Wirkungsgrad, der durch eine größere Modulfläche kompensiert werden muss.
Organische Solarzellen
Organische Solarzellen sind eine Form der Dünnschicht-Solarzellen, die auf organischen Verbindungen basieren. Sie punkten mit geringen Herstellungs- und Entsorgungskosten. Organische Zellen sind flexibel und in vielen ungewöhnlichen Formen realisierbar. Darüber hinaus liefern sie selbst bei schwankender oder schwacher Beleuchtung noch vergleichsweise viel Solarstrom. Sie können deshalb auch in Bereichen mit suboptimalen Lichtverhältnissen eingesetzt werden. Ihr Wirkungsgrad ist derzeit jedoch noch sehr niedrig.
PERC-Solarzellen
PERC-Solarzellen sind wie typische monokristalline Solarzellen aufgebaut. Einziger Unterschied ist die zusätzliche Reflexionsschicht auf der Rückseite, die das bisher ungenutzte Licht reflektiert. PERC-Solarzellen können langwelliges Licht besonders gut verwerten, wodurch sich ihre Effizienz erhöht. Vor allem in den Morgen- und Abendstunden ist ihr Wirkungsgrad hoch. Demgegenüber steht eine höhere Degradation. Heißt: Sie verlieren im Laufe ihres Lebens schneller an Leistung als herkömmliche Solarzellen.Ihr wollt das SolarPaket?
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Jetzt Anlage berechnenWohin geht die Entwicklung?
Die erste Silizium-Solarzelle der Firma Bell erzielte einen Wirkungsgrad von lediglich 6 %. Inzwischen erreichen monokristalline Solarzellen in der Praxis Wirkungsgrade zwischen 20 und 22 %. Und das Potenzial der Photovoltaik ist noch nicht ausgeschöpft: In der Entwicklung befinden sich beispielsweise Tandem-Solarzellen, bei denen mehrere Schichten unterschiedlicher Materialien aufeinandergestapelt werden. Jede Schicht nutzt dabei einen anderen Teil des Lichtspektrums für die Stromerzeugung. So konnten bereits Wirkungsgrade von mehr als 40 % erzielt werden.
Vielversprechend sind Perowskit-Solarzellen, die in den nächsten Jahren auf den Markt kommen könnten. Sie sind günstig in der Produktion und arbeiten sehr effizient. Allerdings reagieren sie sehr empfindlich auf Umwelteinflüsse: Nässe und Hitze lassen sie zu schnell altern. An einem entsprechenden Schutz muss noch gearbeitet werden.
Die technische Weiterentwicklung von Solarzellen sorgt nicht nur für immer höhere Wirkungsgrade. In den letzten Jahren sind auch die Kosten für Solaranlagen stark gefallen: Von 2012 bis 2020 haben sich die Handelspreise halbiert. Inzwischen liegen sie auf einem stabilen Niveau. 2021 war sogar ein leichter Anstieg zu beobachten. Das ist vor allem auf die hohe Nachfrage nach Photovoltaikanlagen zurückzuführen. Wer sich für eine Photovoltaikanlage interessiert, sollte also nicht mehr lange warten.
Was bringt eine Solaranlage?
Wie hoch der Ertrag einer Photovoltaikanlage ist, hängt vom Standort ab. Entscheidend ist die jährliche Sonneneinstrahlung. Sie liegt in Deutschland bei rund 1.000 kWh pro Quadratmeter. Besonders stark ist die Sonneneinstrahlung im Süden Deutschlands. Aber auch im Norden reicht sie aus, um eine Photovoltaikanlage wirtschaftlich zu betreiben. Folgende Tabelle gibt einen groben Überblick über den jährlichen Ertrag einer Photovoltaikanlage in Abhängigkeit vom Standort:
Was euch eine PV-Anlage unterm Strich bringt, zeigt ein Blick auf die Stromgestehungskosten pro kWh aus einer PV-Anlage: lagen sie bei 10-14 Cent/kWh. Demgegenüber stehen die Strompreise in Deutschland für den Strombezug aus dem Netz: Unter der Annahme von durchschnittlich 40 Cent/kWh lassen sich mit einer Photovoltaikanlage demnach etwa 30 Cent pro Kilowattstunde sparen.
Dazu ein Beispiel: Der durchschnittliche Stromverbrauch eines Vier-Personen-Haushalts liegt bei rund 4.000 kWh pro Jahr. Das ergibt bei durchschnittlich 40 Cent/kWh eine jährliche Stromkostenrechnung von rund 1.600 €. Mit PV-Anlage würden die Stromkosten für diese Menge auf 400 – 560 € sinken.
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