Die Photovoltaik beschreibt das direkte Umwandeln von Sonnenstrahlung in Strom. Für die Umwandlung ist der kleinste, aber wohl wichtigste Bauteil einer jeder Solaranlage verantwortlich – die Solarzelle. Sie bestimmt maßgeblich, wie viel Strom erzeugt werden kann und gleichzeitig auch, wie hoch überhaupt die Anschaffungskosten der Photovoltaikanlage ausfallen.
Aufbau und Funktion der Solarzelle sind im elementarphysikalischen Bereich begründet. Aber keinen Grund zur Sorge: Sie müssen natürlich kein*e Physiker*in sein, um das Wirkprinzip der winzigen Zelle zu verstehen. Wir schauen uns die kleinen Stromerzeuger einmal im Detail an, verraten, welche verschiedenen Arten es gibt und was sich in diesen abspielt.
Kleine Auffrischung: Wer hat die Solarzelle erfunden?
Der französische Wissenschafter Alexandre Edmond Becquerel war erst 19 Jahre alt, als er den photoelektrischen Effekt oder kurz Photoeffekt eher zufällig entdeckte. Er erkannte, dass Batterien langlebiger sind und mehr Leistung produzieren, wenn er sie mit Licht bestrahlte. Im Jahr 1893 wurde auf Basis seiner Forschungen die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elektrizität gebaut.
Solarzellen werden mit sogenannten Halbleitermaterialien ausgestattet, welche bei Zufuhr von Energie über eine verbesserte Leitfähigkeit verfügen. Also: Bei Lichteinfall erhöht sich die Leitfähigkeit der Zelle, Elektronen bewegen sich und es entsteht Strom. Freilich sind sie unter den Modulhüllen gegen äußere Einwirkungen, wie Wind und Wetter, gesichert. Module einer Anlage bestehen jedenfalls aus mehreren Solarzellen, die entweder in Serie oder auch parallel geschaltet werden können.
Solarzellen auf Siliziumbasis
Zur Info: Solarzellen auf Siliziumbasis sind am weitesten verbreitet und machen etwa 95 Prozent des kommerziellen Photovoltaikmarktes aus. Diese Zelltypen werden, wie der Name bereits verrät, aus kristallinem, aus Sand gewonnenem Silizium hergestellt. Für die Produktion benötigen sie aber auch einige andere Elemente wie etwa Silber. Siliziumsolarzellen sind starr, sodass sie normalerweise in Paneelen angeordnet werden, die auf Dächern oder auch in Freiflächenanlagen aufgestellt werden. Monokristalline Solarzelle und polykristalline Solarzellen werden etwa beide aus Silizium hergestellt. Darüber hinaus gibt es aber Zelltypen, die sogar ohne Silizium auskommen. Doch wie unterscheidet man nun unterschiedliche Zellarten?
Unterschiedliche Arten von Solarzellen sind unter den Modulhüllen gegen äußere Einwirkungen, wie Wind und Wetter, gesichert.
1.) Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen bestehen aus einkristallinem Silizium. Dadurch, dass bei der Produktion ein einziger Kristall entsteht und das Material homogen ist, ist dieser Zelltyp mit einem Wirkungsgrad von rund 20 Prozent die effektivste Solarzelle bei direkter Sonneneinstrahlung. Gleichzeitig aber ist der Herstellungsprozess aufwendiger und teurer als bei den anderen Verfahren. Zu erkennen sind monokristalline Solarzellen vor allem an ihrer einheitlichen dunkelblauen bis schwarzen Färbung.
2.) Polykristalline Solarzellen
Polykristalline Solarzellen werden aus quadratischen Siliziumblöcken hergestellt, wobei das Silizium bei diesem Typ nicht so rein ausfällt. Aufgrund der einfacheren Herstellung sind diese Zellen preiswerter als monokristalline, weisen gleichzeitig aber einen geringeren Wirkungsgrad von rund 15 Prozent auf. Auf polykristallinen Solarmodulen ist im Gegensatz zu den monokristallinen Zellen eine Oberflächenstruktur vorhanden. Teilweise sind sogar einzelne Kristallgrenzen erkennbar.
3.) Dünnschichtzellen
Dünnschichtzellen sind hauchdünne PV-Module und gehören zu den sogenannten amorphen Solarzellen. Sie werden ebenfalls aus Silizium hergestellt, das mit anderen Materialien vermischt und in einer sehr dünnen Schicht auf ein Trägermaterial, wie zum Beispiel Glas, aufgedampft wird. Der Wirkungsgrad beläuft sich auf nur fünf bis sieben Prozent, weshalb er durch eine größere Modulfläche kompensiert werden muss. Dünnschichtzellen sind, in Abhängigkeit vom Trägermaterial, sehr flexibel und lassen sich rollen und falten. Der Produktionsprozess verläuft unkompliziert, sodass dieser Zelltyp günstiger als kristalline Zellen, auch Dickschichtzellen genannt, sind. Übrigens: Es gibt Dünnschicht-Technologien, die ganz ohne Silizium auskommen: Sie verwenden andere Halbleiter.