Funktionsweise von Solarzellen – die grüne Revolution

Jemand hält eine Solarzelle

Mittlerweile gehören sie fast schon zum gewohnten Bild – tiefblau, glitzernde Flächen wohin das Auge reicht: Photovoltaikanlagen. Das kennt man. Und das ist gut so, schließlich sind all diese kleinen, verbundenen Solarzellen das Leistungsstärkste was wir auf diesem Planeten in Form von erneuerbarer Energie kennen.

Solarzellen oder Photovoltaikzellen (PV-Zellen) sind kleine, lichtempfindliche Bauelemente, die bei Sonneneinstrahlung direkt elektrischen Strom erzeugen können. Diese PV-Zellen werden zu sogenannten Solarmodulen in der Photovoltaik-Anlage verbunden. Tolle Sache, wenn man bedenkt, dass der Bedarf nach Strom ständig steigt. Ja, ohne Strom geht im digitalen Zeitalter gar nichts mehr und langsam sollten wir uns Gedanken machen, wie wir uns aus der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen befreien. Mit Solarzellen im Gepäck – auf zur grünen Revolution!

Was genau ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle ist, wie bereits erwähnt, ein kleines, elektrisches Bauelement. Es gibt verschiedene Zelltypen, jeweils ausgestattet mit Halbleitermaterialien. Halbleiter haben die Eigenschaft bei Wärme bzw. Sonneneinstrahlung elektrisch leitfähig zu werden, bei tiefen Temperaturen entwickeln sie isolierende Eigenschaften. In über 95 % aller weltweit produzierten Solarzellen wird Silizium als Halbleiter verwendet. Die gute Nachricht – Silizium ist das am zweithäufigsten vorkommende Element auf unserer Erde, Nachschub ist also soweit gesichert.

Im Grunde bilden Solarzellen oder auch Photovoltaikzellen das Herzstück einer Photovoltaikanlage. Die einzelnen Zellen werden zu Modulen (Solarpaneelen) zusammengeschalten und dann in der Photovoltaikanlage zur direkten Stromerzeugung eingesetzt. Und diese Stromerzeugung erfolgt auf Grundlage des photoelektrischen Effekts. Dazu aber später.

Woher kommt eigentlich der Begriff „Photovoltaik“?

 „Photos“ ist der griechische Begriff für „Licht“ und „Voltaik“ leitet sich von der Bezeichnung für elektrische Spannung „Volt“ ab (benannt nach dem italienischen Physiker Alessandro Volt – dem Erfinder der elektrischen Batterie). Damit können Sie schon mal beim Wissenschaftstalk beeindrucken.

Die Anfänge der Photovoltaik gehen bereits auf das Jahr 1839 zurück, als der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel den photoelektrischen Effekt entdeckte. Auch Albert Einstein trug einen beträchtlichen Teil zur Entwicklung der Photovoltaik bei (Lichtquantentheorie). Der richtige Durchbruch gelang allerdings erst 1954, als Ingenieure bei Bell Laboratories (USA) die erste brauchbare Solarzelle entwickelten. Erstmals gelang es Siliziumsolarzellen mit Wirkungsgraden von bis zu 6 % zu produzieren und natürlich ist die Technik seit diesem Meisterwurf nicht stehengeblieben.

Inzwischen werden neben Silizium weitere lichtempfindliche Halbleitermaterialien erforscht und zur Anwendung in Solarzellen gebracht. Darunter finden sich Materialien wie Gallium-Arsenid, Cadmium-Tellurid oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen. Noch nie gehört? Gut, wir beschränken uns darauf, dass es neben diesen anorganischen Halbleitermaterialien auch noch organische Solarzellen, Farbstoffsolarzellen sowie anorganisch-organische Hybride gibt.

All das befindet sich in stetiger Entwicklung und wird uns die nächsten Jahre begleiten. Zum heutigen Zeitpunkt ist Photovoltaik die weltweit gefragteste Form der Solarenergieerzeugung. Das liegt wohl auch daran, dass sie sowohl im kleinen Rahmen als auch zur kommerziellen Stromerzeugung genutzt werden kann und in den letzten Jahren eine massive Kostensenkung durchlaufen hat.

Wie funktioniert nun eine Solarzelle?

Der zuvor angesprochene photoelektrische Effekt ist dafür verantwortlich, dass Licht wie von Zauberhand in Strom verwandelt wird. Aber nein, keine Hexerei – ein (relativ) einfacher physikalischer Vorgang: Eine Solarzelle besteht aus zwei unterschiedlichen Halbleiterschichten, die ungleiche elektrische Eigenschaften aufweisen. Durch Lichteinstrahlung entsteht zwischen diesen beiden Schichten ein elektrisches Feld, das zu einer Ladungstrennung führt – es entsteht elektrische Spannung und in weiterer Folge Strom. Je intensiver die Lichteinstrahlung ist, umso mehr Strom wird auch erzeugt. Allerdings entsteht hier Gleichstrom, also nicht der, den wir aus der Steckdose kennen. Für den alltäglichen Gebrauch zuhause, im Büro, in Schulen, Krankenhäusern und öffentlichen Einrichtungen – also überall, wird Wechselstrom benötigt. Also muss Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden. Dies geschieht mit einem sogenannten Wechselrichter. Der gewonnene Wechselstrom kann dann sofort genutzt oder dem lokalen Stromnetz zugeführt werden.

 

Aufbau einer Solarzelle

Zusammen sind sie stark!

Es gibt verschiedene Bauarten und Größen, üblicherweise haben einzelne Solarzellen eine Größe von etwa 15 x 15 cm (6 Zoll) oder 10 x 10 cm (4 Zoll) und erzeugen eine Spannung von 0,6 bzw. 0,5 Volt. Damit kann man vorerst noch nicht viel anfangen. Und genau deshalb werden Solarzellen untereinander mit Lötbändchen verbunden und zu Modulen, sogenannte Solarpaneelen, zusammengefasst.  Durch das reihenweise Verschalten werden brauchbare Spannungen erzeugt. Fazit: nur im Team sind Solarzellen leistungsstark und wie stark genau, das lässt sich mit dem sogenannten Wirkungsgrad angeben.

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Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt das Verhältnis zwischen der elektrischen Leistung der Solarzelle und der Leistung der einfallenden Sonnenstrahlung. Dieser Wert wird in Prozent angegeben und variiert je nach Materialsystem zwischen 5 und 25 %. Es gibt sehr wohl Solarzellen, die über diese Wirkungsgrade hinausgehen, sogenannte Mehrfachsolarzellen (der Wirkungsgradrekord liegt bei 46 %). Vor allem auch in der Weltraumforschung werden Solarzellen mit hohen Wirkungsgraden eingesetzt. Aufgrund der hohen Material- und Herstellungskosten sind diese Photovoltaikzellen aber für die breite Masse noch nicht erschwinglich.

Welche Arten von Solar- bzw. Photovoltaikzellen gibt es?

Wir beschäftigen uns hier mit den Solarzellen für den kommerziellen Gebrauch.

Massivzellen:

Monokristalline Zellen

Diese Zellen werden aus einkristallinen Siliziumscheiben (Wafern) hergestellt. Die Herstellung ist relativ kompliziert und kostenintensiv. Der Wirkungsgrad von Monokristallinen Zellen beträgt zwischen 16-22 %.

Polykristalline Zellen

Polykristalline Zellen verwenden Scheiben, die aus geschmolzenem Silizium hergestellt werden. Für die Herstellung gibt es verschiedene Verfahren (Gießverfahren, Bridgeman-Verfahren usw.), bei denen mehrere Kristalle entstehen – daher „polykristallin“.

Aufgrund ihrer verhältnismäßig günstigen Produktionskosten, sind Polykristallinen Zellen die am häufigsten verwendeten Solarzellen in Photovoltaikanlagen. Daher kommt es also, das tiefblaue Glitzern. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 14-20 %.

Dünnschichtzellen

Amorphe Solarzellen

Diese Dünnschichtzellen bestehen aus einer feinen Siliziumschicht, die eine nichtkristalline Struktur aufweist. Sie sind unglaubliche 100-mal dünner als herkömmliche kristalline Solarzellen und können relativ günstig, etwa durch Aufdampfen auf ein Trägermaterial, hergestellt werden. Der Nachteil an dieser Geschichte: bei direktem Sonnenlicht verfügen sie über einen ziemlich kleinen Wirkungsgrad (5-10 %). Dafür lassen sie sich wunderbar bei wenig Licht einsetzen – sicherlich kennen Sie Silizium-Dünnschichtzellen von Taschenrechnern und Uhren. Ein weiterer Vorteil ist ihre dünne Beschaffenheit. Dünnschichtzellen werden bereits erfolgreich auf gekrümmten, beweglichen Oberflächen, Gebäudefassaden und Dachziegeln eingesetzt.

Andere Dünnschichtzellen

Alternativ zu Silizium werden mittlerweile Halbleitermaterialien wie Gallium-Arsenid, Cadmium-Tellurid oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen (sogenannte CIGS-Zellen) verwendet. Der Einsatz dieser Materialien ist mit deutlich niedrigeren Kosten verbunden und zudem verfügen diese auch über höhere Wirkungsgrade (im Labor aktuell bis zu 23 %).

Grüne Revolution in Sicht

Solarzellen oder Photovoltaikzellen sind der elementare Baustein für Photovoltaiksysteme. Angesichts der erfolgsversprechenden Zukunft, darf man schon mal behaupten: Was Mikrochips für die Computer-Industrie sind, das sind Solarzellen für die Solarindustrie. Der Vergleich kommt nicht von ungefähr – wer kann sich heute noch ein Leben ohne Computer vorstellen? Genauso könnten Solarzellen unser aller Leben revolutionieren – weg von fossiler Energie, hin zur sauberen Photovoltaikwelt. Gut für unseren Planeten, gut für uns.

Quellenangaben:

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Bildquellen

  • Aufbau einer Solarzelle: Alejo Miranda | Shutterstock.com
  • Grüne Energiesparlampe: Denphumi | Shutterstock.com
  • Eine Solaranlage im Gras: Vaclav Volrab | Shutterstock.com
  • Ein Solarladegerät: Georgejmclittle | Shutterstock.com
  • Vor- und Nachteile von Solaranlagen: petrmalinak | Shutterstock.com
  • Eine Solarzelle: science photo | Shutterstock.com