Wie funktioniert eine Solarzelle?

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: Mindestens 5 Milliarden Jahre lang wird uns die Sonne noch mit Licht und Wärme versorgen. Im Energiekonzept der Zukunft nimmt sie deshalb eine Schlüsselrolle ein. Aber wie funktioniert das mit der Solarenergie eigentlich genau?


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.

Geteiltes Bild zeigt links Solarmodule einer PV-Anlage und rechts einen Teil einer Solarthermieanlage.

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. Ende 2021 waren in Deutschland bereits über 2 Millionen PV-Anlagen installiert. Zusammen deckten sie 9,1 % des Bruttostromverbrauchs. Die Tendenz ist steigend.

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.

Infografik zum Aufbau und den Schichten von den Solarzellen einer Photolvoltaikanlage.Infografik zum Aufbau und den Schichten von den Solarzellen einer Photolvoltaikanlage.

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.

Zweiteilige Infografik zur Funktionsweise der Solarzellen einer Photolvoltaikanlage.

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:

Nahaufnahme eines Solardachs mit Solarmodulen aus monokristallinen Solarzellen.

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.

Nahaufnahme einer Solaranlage mit Solarmodulen aus polykristallinen 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.

Eine undeutlich zu erkennende Person hält eine Matte aus Dünnschicht-Solarzellen in den Händen.

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.

Eine Hand biegt eine handgroße, flexible Folie aus organischen Solarzellen.

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.

Nahaufnahme von PERC-Solarzellen mit zusätzlicher Reflexionsschicht auf der Rückseite.

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.

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Wohin 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.

  • Der Wirkungsgrad beschreibt, wie gut eine Solarzelle die im Licht enthaltene Energie verwertet. Ein Wirkungsgrad von 20 % bedeutet, dass ein Fünftel der Strahlungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Technische Weiterentwicklung von Solarzellen in einem Forschungslabor für Solarmodule.

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 – Tendenz steigend. 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:

Infografik zur durchschnittlichen Sonneneinstrahlung in kWh/m2 in Deutschland nach Regionen.Infografik zur durchschnittlichen Sonneneinstrahlung in kWh/m2 in Deutschland nach Regionen.

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 steigenden Strompreise in Deutschland für Strombezug aus dem Netz: Eine Kilowattstunde Strom kostet durchschnittlich 43 Cent (Stand: Mai 2022, Quelle: Verivox). Mit einer Photovoltaikanlage lassen sich demnach etwa 30 Cent pro Kilowattstunde sparen.

  • Als Stromgestehungskosten werden die Kosten bezeichnet, die bei der Erzeugung von Strom entstehen. Zur Berechnung der Stromgestehungskosten einer PV-Anlage werden einfach alle Kosten, die innerhalb der vorgesehenen Laufzeit anfallen addiert. Das Ergebnis wird dann durch den Ertrag an Solarstrom (in kWh) über diese Laufzeit dividiert.

Dazu ein Beispiel: Der durchschnittliche Stromverbrauch eines Vier-Personen-Haushalts liegt bei rund 4.000 kWh pro Jahr. Das ergibt eine jährliche Stromkostenrechnung von rund 1.720 €. Mit PV-Anlage würden die Stromkosten um 240–440 € sinken.

Infografik zu den durchschnittlichen jährlichen Stromkosten mit und ohne PV-Anlage.Infografik zu den durchschnittlichen jährlichen Stromkosten mit und ohne PV-Anlage.

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