So funktioniert eine Solarzelle: Aufbau und Funktionsweise einfach erklärt
Wie ist eine Solarzelle aufgebaut und wie wandelt sie Licht in Strom um? Der photovoltaische Effekt verständlich erklärt.
Microsoft Katja (Neural, deutsch)
Die Solarzelle ist das Herzstück jeder Photovoltaikanlage. Sie wandelt Licht direkt in elektrischen Strom um – ganz ohne bewegliche Teile. Dahinter steckt der sogenannte photovoltaische Effekt, der sich mit etwas Halbleiterphysik gut verstehen lässt.
Der Werkstoff: Silizium
Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium, einem Halbleiter. Reines Silizium leitet Strom schlecht. Erst durch gezieltes Verunreinigen, das sogenannte Dotieren, wird es nutzbar. Dabei werden zwei Schichten erzeugt: eine mit Elektronenüberschuss (n-Schicht) und eine mit Elektronenmangel (p-Schicht). An ihrer Grenze entsteht ein elektrisches Feld – der pn-Übergang.
Der photovoltaische Effekt
Trifft Licht auf die Zelle, übertragen die Lichtteilchen (Photonen) ihre Energie auf Elektronen im Silizium. Erhält ein Elektron genug Energie, löst es sich aus seiner Bindung und wird beweglich. Das elektrische Feld am pn-Übergang trennt die freien Ladungen und treibt die Elektronen in eine bestimmte Richtung. Verbindet man Vorder- und Rückseite über einen Verbraucher, fließt Strom. Genau das ist der photovoltaische Effekt.
Aufbau einer Solarzelle und eines Moduls
Eine typische Zelle besteht von unten nach oben aus einem Rückseitenkontakt, der dotierten Siliziumschicht mit pn-Übergang, einer Antireflexschicht, die das Modul oft bläulich erscheinen lässt, und feinen Metallkontakten auf der Vorderseite, die den Strom abführen.
Einzelne Zellen liefern nur eine kleine Spannung. Deshalb werden viele Zellen in Reihe geschaltet und zu einem Modul verbunden. Eine stabile Glasscheibe, eine Einbettung in Kunststofffolie und ein Rahmen schützen die empfindlichen Zellen über Jahrzehnte vor Witterung.
Gleichstrom wird zu Wechselstrom
Solarzellen erzeugen Gleichstrom. Damit der Strom im Haushalt genutzt oder ins Netz eingespeist werden kann, wandelt ein Wechselrichter ihn in netzkonformen Wechselstrom um. Der Wechselrichter sorgt außerdem dafür, dass die Module stets in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden.
Wirkungsgrad und Grenzen
Eine Zelle kann nur einen Teil des Lichts nutzen. Ein Teil der Energie geht als Wärme verloren, ein anderer Teil des Lichtspektrums lässt sich gar nicht verwerten. Marktübliche Module erreichen dadurch Wirkungsgrade von rund 20 Prozent. Trotz dieser physikalischen Grenzen ist die Solarzelle eine der elegantesten Energietechniken überhaupt: lautlos, wartungsarm und langlebig. Weitere Hintergründe finden Sie auf SolarAktuell.
