Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle
Dass Photovoltaik eine der besten Technologien für die nachhaltige Energieerzeugung ist, wissen viele. Doch wie funktioniert Photovoltaik eigentlich? In diesem Blogartikel erklären wir dir, welcher Aufbau und welches Funktionsprinzip hinter einer Solarzelle steckt – und wie viele Solarzellen zusammen als Solarmodul funktionieren können.
Energieerzeugung aus Licht in der Natur Licht erzeugt Energie.
Ein Blick in die Natur verdeutlicht dies: Die Photosynthese, die Grundlage des Pflanzenwachstums, nutzt Licht, um Nahrung und Sauerstoff zu erzeugen und dient so als primäre Energiequelle des Lebens. Auch für den Menschen ist Licht essenziell, denn es liefert Wärme und ist somit Lebensgrundlage.
Solare Strahlung, bestehend aus direkter Sonneneinstrahlung sowie diffuser oder reflektierter Strahlung vom Erdboden, variiert je nach Ort und Wetterbedingungen und bietet damit ein facettenreiches Energiespektrum. Diese Erkenntnis, genauer gesagt die Entdeckung des photovoltaischen Effekts, ist der Ausgangspunkt der Funktionsweise der Photovoltaik.
Von natürlichem Silizium zur funktionalen Solarzelle
Im Kontext der Energiegewinnung aus Licht spielt die Photovoltaik eine zentrale Rolle. Photovoltaikmodule, zusammengesetzt aus vielen einzelnen Solarzellen, können auf zwei unterschiedliche Arten hergestellt werden. Während klassische Solarmodule aus Silizium durch ihre quadratischen Zellen auffallen, bieten Dünnschichtmodule, die mit einem speziellen Material beschichtet sind, eine homogene Fläche. Bifaziale Module, eine Kombination aus beiden Herstellungsweisen, nutzen die Energie sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite, wodurch sie eine höhere Effizienz erreichen.
Aufgrund ihrer Leistungsstärke dominieren heute Siliziummodule den Markt. Silizium, das zweithäufigste Element in der Natur, muss zunächst aus Verbindungen wie Sand oder Quarz extrahiert werden, damit es für die Herstellung von Solarzellen genutzt werden kann. Dies geschieht durch Erhitzung, Verflüssigung und anschließendes Erstarren.
Aus diesem Prozess entstehen reines Silizium als Ausgangsmaterial für Solarrohzellen, die auf zwei verschiedene Arten hergestellt werden können. Bei polykristallinem Silizium wird das Material geschmolzen und in würfelförmige Blöcke (Ingots) gegossen, die wiederum zu hauchdünnen Scheiben geschnitten werden.
Stand der Technik: Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen, die sich durch eine andere Zellstruktur, einen höheren Wirkungsgrad und eine effizientere Produktionsweise auszeichnen, sind heute auf dem Markt vorherrschend. Ihre Herstellung ähnelt dem Prozess des Kerzengießens: Aus flüssigem Silizium entstehen säulenförmige Einkristalle, die in quadratische Formen mit abgerundeten Ecken geschnitten werden. Angeordnet in einem Raster, das durch die abgerundeten Ecken das ikonische Rautenmuster entstehen lässt, bilden sie das Herzstück der Photovoltaikmodule.
Das Donor-Akzeptor-Prinzip: So funktionieren Solarzellen
Grundlegend für die Funktionsweise von Solarzellen ist das Donor-Akzeptor-Prinzip, welches für die Umwandlung von Licht in elektrische Energie verantwortlich ist. Der Aufbau einer Solarzelle besteht typischerweise aus zwei Schichten von Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften: einer Donor-Schicht (N-Typ) und einer Akzeptor-Schicht (P-Typ).
Der N-Typ-Halbleiter hat einen Überschuss an negativen Ladungsträgern, sprich Elektronen, während der P-Typ-Halbleiter positive Ladungsträger aufweist. Wenn Licht auf die Solarzelle trifft, werden Elektronen aus den Atomen gelöst und bewegen sich zur N-Typ Schicht, während die Löcher zur P-Typ-Schicht wandern. Diese Bewegung erzeugt einen Fluss von Elektrizität, der als Strom genutzt wird.
Gut zu wissen: Neben Silizium kommen auch andere Zelltechnologien wie Folienlaminate und organische Zelltechnologien zum Einsatz, allerdings sind diese seltener anzutreffen. Diese alternativen Technologien bieten spezifische Vorteile, wie Flexibilität und leichteres Gewicht, sind jedoch in der Regel weniger effizient als die herkömmlichen Silizium-basierten Lösungen.
Der Prozess der Energiegewinnung mit Photovoltaik
Silizium spielt als Halbleiter eine zentrale Rolle in der Photovoltaik. Das chemische Element ermöglicht die Erzeugung freier Ladungsträger, also Elektronen, durch zugeführte Energie, in unserem Fall die Sonneneinstrahlung. Das ständige elektrische Feld, das im Inneren einer jeden Solarzelle vorherrscht, wird durch die Lichteinstrahlung verändert, wodurch elektrische Spannung entsteht. Die in einer einzelnen Zelle erzeugte Spannung und Leistung sind relativ klein, daher werden viele Zellen miteinander verschaltet, um die Gesamtleistung zu erhöhen.
Damit die Solarzelle auf Basis von Silizium messbaren Strom erzeugen kann, sind jedoch einige Modifikationen notwendig. Um die Effizienz der Solarzellen zu maximieren, wird die Oberfläche der Siliziumzellen texturiert, sprich mit einer haptischen Struktur versehen, um die Fläche zu vergrößern und mehr Licht einzufangen.
Zusätzlich wird auf der Vorderseite eine Schicht aus Phosphor aufgetragen, um die elektrischen Eigenschaften zu optimieren. Eine wichtige Komponente ist die Antireflexschicht, die auf der Oberfläche der Solarzelle aufgebracht wird und ihr die charakteristische, dunkelblaue Optik verleiht. Diese Schicht reduziert die Reflexion des einfallenden Lichts und erhöht die Menge des absorbierten Lichts. Die Kontakte auf der Vorder- und Rückseite, hergestellt aus leitender Silberpaste und Stromleiterbändchen, sorgen dafür, dass der erzeugte Strom abgeleitet werden kann.
Spezialbehandlungen für maximale Widerstandsfähigkeit
Um die Funktion der Solarzelle gegen äußere Gegebenheiten wie Witterungseinflüsse oder mechanische Beanspruchung zu schützen, wird sie mit einer Glasscheibe und einer hochtransparenten Schutzfolie bedeckt. Eine Dichtung aus Gummi oder Silikon und ein allumfassender Aluminiumrahmen sorgen für zusätzlichen Schutz und Stabilität.
Das fertige Produkt, der Glas-Zellen Folienverbund, ist das, was wir als Solarmodul kennen. Diese Module haben in der Regel Standardabmessungen von etwa 1,68 x 1 Meter und eine Leistung von rund 400 Watt.
Diese Solarmodule bilden die Bausteine für größere Photovoltaikanlagen. Sie können auf Hausdächern, in Solarparks oder auf industriellen Gebäuden installiert werden, um umweltfreundliche Energie zu erzeugen. Durch ihre Modularität sind sie flexibel einsetzbar und können an verschiedene Standorte sowie Flächen- und Energiebedürfnisse angepasst werden.
Die Technologie hinter Solarmodulen ist das Ergebnis jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung. Heutige Solarmodule sind nicht nur effizienter in der Energieumwandlung, sondern auch langlebiger und widerstandsfähiger gegen Umwelteinflüsse. Fortschritte in der Materialwissenschaft und in der Produktionstechnik haben dazu geführt, dass die Kosten für Solarmodule in den letzten Jahren stark gesunken sind, was sie zu einer immer attraktiveren Option für die Energieerzeugung macht.
Fazit
Das Funktionsprinzip der Photovoltaik, der photovoltaische Effekt, bildet die Grundlage für die rasante Weiterentwicklung der Technologie in den vergangenen Jahrzehnten. Aus der einfachen Idee, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln, ist ein ausgetüftelter Aufbau von Solarmodulen geworden, der ein Höchstmaß an Effizienz und einen maximalen Wirkungsgrad gewährleistet.
Profitiere auch du von dem faszinierenden Funktionsprinzip der Photovoltaik – und lasse dir jetzt deine PV-Anlage auf deinem Dach im norddeutschen Raum installieren. Du hast noch Fragen? Gerne klären wir diese in einem kostenlosen Beratungsgespräch.
FAQ – häufig gestellte Fragen zur Funktionsweise der Photovoltaik
Wie funktioniert eine Solarzelle?
Eine Solarzelle wandelt Sonnenlicht in elektrische Energie um, indem sie den photovoltaischen Effekt nutzt. Dies geschieht durch die Interaktion von Licht mit einem Halbleitermaterial, meist Silizium, das Elektronen freisetzt und einen elektrischen Strom erzeugt.
Was sind die Komponenten einer Solarzelle?
Die Schlüsselelemente einer Solarzelle umfassen Silizium als Halbleitermaterial, eine Antireflexschicht zur Maximierung der Lichtabsorption, Kontakte aus leitender Silberpaste zur Stromleitung, und Schutzkomponenten wie Glas und eine hochtransparente Folie. Diese Elemente arbeiten zusammen, um Sonnenlicht effizient in Strom umzuwandeln.
Was unterscheidet monokristalline von polykristallinen Solarzellen?
Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzigen, gleichmäßig strukturierten Siliziumkristall und bieten einen höheren Wirkungsgrad., weshalb sie sich auf dem heutigen Markt an modernen PV-Modulen durchgesetzt haben. Polykristalline Solarzellen hingegen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen und sind kostengünstiger, haben aber in der Regel einen etwas geringeren Wirkungsgrad.