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Solar­zelle

Lesezeit: 4 Minuten

Wie ist eine Solar­zelle aufgebaut?

Meist bestehen Solar­zellen aus sogenannten Halblei­tern. Diese werden haupt­säch­lich aus Silizium (Quarz­sand) herge­stellt. Die Solar­zelle besteht aus zwei solcher Halblei­t­er­schichten. Eine der Halblei­t­er­schichten ist negativ dotiert und verfügt über freie Elektronen, in der anderen Schicht fehlen Elektronen, diese ist also positiv dotiert. Dazwi­schen befindet sich eine Grenz­schicht, in der die Elektronen durch die Sonnen­ein­strah­lung (photo­vol­ta­i­scher Effekt) freige­setzt werden.die freige­setzte Ladungen ledig­lich mittels des Sonnen­lichts passieren können. Die Elektronen wandern in die n-dotierte Schicht und erzeugen dort eine Spannung. Die Elektronen aus der n-dotierten Schicht wandern in die p-dotierte Schicht am Übergang. Somit entsteht die Grenz­schicht und ein elektri­sches Feld.

Wie funktio­nieren Solarzellen?

Wenn die Photonen der Sonnen­strahlen auf die Solar­zelle treffen, werden die Elektronen in der Grenz­schicht der Solar­zelle gelöst. Von den losge­lösten Elektronen sammeln sich auf der einen Seite der Solar­zelle die negativ geladenen Elektronen, auf der anderen Seite die positiv geladenen Protonen. Es entsteht also ein Minus- und ein Pluspol, ähnlich wie bei einer Batterie. Um die positiv und negativ geladenen Pole nutzen zu können und elektri­schen Strom entstehen zu lassen, werden an der Solar­zellen Plätt­chen aus Silber oder Alumi­nium angebracht und mit einem Kabel verbunden.

Welche Arten von Solar­zellen gibt es?

Unter­schied­liche Arten von Solar­zellen werden nach dem Material unter­schieden, aus denen die Halblei­t­er­schichten bestehen. Andere Unter­schei­dungs­kri­te­rien sind die Dicke des Materials (Dünn- oder Dickschicht­zellen) sowie die Struktur der verwen­deten Kristalle: monokris­tallin, polykris­tallin oder amorph. 

Monokris­tal­line Solarzellen

Diese Solar­zellen haben einen hohen Silizi­um­an­teil. Somit sind monokris­tal­line Solar­zellen bei direkter Sonnen­ein­strah­lung am effek­tivsten, aller­dings sind diese Solar­zellen durch den Herstel­lungs­pro­zess relativ teuer: Aus flüssigem Silizium werden einkris­tal­line Stäbe gezogen und in dünnere Stäbe gesägt, die man dann ‘Wafer’ nennt. 

Polykris­tal­line Solarzellen

Auch diese Solar­zel­lenart wird aus Silizium herge­stellt. Aller­dings ist das Silizium hier polykris­tallin und nicht so rein, wie bei den monokris­tal­linen Solar­zellen. In der Herstel­lung wird zunächst ein Silizi­um­block gegossen, aus dem dünne Scheiben abgetrennt werden. Jede solche Scheibe ist eine polykris­tal­line Solar­zelle. Diese Herstel­lungsart gilt als preis­wert und umwelt­freund­lich, da weniger Energie für die Produk­tion aufge­wendet werden muss und durch die Block­form weniger Abfälle entstehen. 

Amorphe Solar­zellen

Während die kristal­linen Zellen zu den Dickschicht­zellen zählen, ist diese Solar­zel­lenart eine nicht-kristal­line Dünnschicht­zelle. Hier wird ebenfalls Silizium verwendet, aller­dings wird es mit anderen Materia­lien vermischt in einer dünnen Schicht auf ein Träger­ma­te­rial wie Glas aufge­tragen. Abhängig vom Träger­ma­te­rial sind diese Zellen sehr flexibel und können in vielen Formen verwirk­licht werden. Die Herstel­lung dieser Zellen ist unkom­pli­ziert und günstig.

Wie hoch ist der Wirkungs­grad von Solar­zellen und wie effizient sind sie?

Der Wirkungs­grad gibt an, wie viel Prozent der Strah­lungs­en­ergie in elektri­sche Energie umgewan­delt werden kann.Monokris­tal­line Solar­zellen haben einen Wirkungs­grad von rund 20 Prozent. Polykris­tal­line Solar­zellen haben einen Wirkungs­grad von rund 15 Prozent. Amorphe Solar­zellen haben einen Wirkungs­grad von maximal 7 Prozent. 

Was ist die Kennlinie von Solarzellen?

Die Kennlinie ist eine Beschrei­bung der Solar­zelle und gibt an, wie viel Strom in Abhän­gig­keit von der Spannung an den Elektroden abgegriffen werden kann. Sie beschreibt auch Unter­schiede zwischen Solar­zellen: Einige Zellen funktio­nieren besser bei wenig Licht, manche bei mehr Licht­ein­strah­lung, ebenso erzeugen manche Zellen eher höhere Spannungen, andere wiederum höhere Ströme.  Das Ziel ist es, sowohl Spannung als auch Strom möglichst hoch zu halten, um eine hohe Leistung zu errei­chen. Die Leistung ist das Produkt aus Strom und Spannung. Die Solar­zellen sollen also in dem Punkt betrieben werden, in dem die Leistung maximal ist. Die Dunkel­kenn­linie gibt den Dunkel­strom in Abhän­gig­keit von der Spannung an. Dieser Strom fließt nicht von den Elektroden durch den Verbrau­cher, sondern inner­halb der Zelle durch die Grenz­schicht. Der Dunkel­strom sollte also minimal sein, da er die Leistung der Solar­zelle mindert. 

Welchen Einfluss hat die Ausrich­tung der Solarzellen?

Um einen möglichst hohen Energie­er­trag zu errei­chen, sollten PV-Module senkrecht zur Sonnen­ein­strah­lung aufge­stellt werden. Der Einstrah­lungs­winkel in Deutsch­land schwankt zwischen ca. 60° im Sommer und ca. 20° im Winter. Aus dem Süden kommt während des Tages die stärkste Sonnen­ein­strah­lung. Je südli­cher die PV-Anlage ausge­richtet ist, desto höher der Strom­ertrag. Zur Ausrich­tung von Solar­an­lagen wird der sogenannte Azimut genutzt. Die Bestim­mung des optimalen Azimuts ist einer von vielen Faktoren, die die Höhe des Ertrags einer Anlage mitbe­stimmen. Mehr zum Azimut lesen Sie in unserem zugehö­rigen Glossarbeitrag. 

Wo werden Solar­zellen eingesetzt?

Solar­zellen können vielfältig einge­setzt werden: Neben Solar­zellen auf dem Haus- oder Gewer­be­dach, die mittels des Erneu­er­bare-Energien-Gesetzes (EEG) geför­dert werden, tragen Solar­zellen auch in anderen Berei­chen zur Energie­wende bei: Wer auf seinem Dach keine Module anbringen kann, kann dennoch auf dem Balkon oder im Garten eigenen Strom produ­zieren. Portable Solar­zellen kennt man von Taschen­rech­nern, Outdoor Lichtern, mobilen PV-Modulen zum Laden von Smart­phones und anderen Geräten, Solar­zellen im Modellbau, die in Räumen mit Lampen geladen werden können, und vieles mehr. Auch in der Automo­bil­branche sind Solar­zellen bereits in der Testphase: Da momentan der Wirkungs­grad mit 20% zu gering ist, bringen die Zellen bei der geringen Fläche auf dem Auto nur minimal mehr Reich­weite. Bei effizi­en­teren Solar­zellen (Wirkungs­grad > 30%), könnten sich die Solar­zellen auf dem Dach jedoch vielleicht schon bald lohnen. 

Wie hoch ist die Lebens­dauer von Solarzellen?

Bei mono- und polykris­tal­linen Solar­zellen beträgt die durch­schnitt­liche Lebens­dauer 25 bis 30 Jahre. Amorphe Solar­zellen haben eine Lebens­dauer von 20 bis 25 Jahren. 

Wie werden Solar­zellen entsorgt?

Die Entsor­gung von Solar­zellen ist für die Verbrau­cher kostenlos. Bei richtiger Entsor­gung sind diese nicht umwelt­schäd­lich, aller­dings können bei falscher Entsor­gungen Schwer­me­talle wie Blei austreten. Bei der Entsor­gung von Solar­zellen können 80-90% der Materia­lien recycelt werden. 

Was sind die Vorteile von Solarzellen?

Solar­zellen stoßen bei der Strom­pro­duk­tion kein C02 aus, sind geräuschlos und haben keine Auswir­kung auf die Tierwelt und Umgebung. Das Landschafts­bild wird nicht Wesent­lich beein­träch­tigt und auch der Boden nimmt keinen Schaden. Solar­zellen können auf  Wildblu­men­wiesen stehen, zum Vorteil von Bienen und anderer Insekten, denn die Böden können sich nach landwirt­schaft­li­cher Nutzung und Düngung so erholen. Des Weiteren können so Rendite auf sonst nutzlosen Böden (z.B. versie­gelten Flächen) gemacht werden. 

Was sind die Nachteile von Solarzellen?

Große Anlagen haben einen großen Platz­be­darf und nehmen viel Fläche ein. Wegen des oftmals geringen Wirkungs­grads (der Solar­park Weesow-Willmers­dorf bringt eine Leistung von 180 MW auf 164 Hektar) müssen mehr Flächen einge­nommen werden, um ein gewisses Maß an Leistung einzu­holen. Ebenso sind sie nicht steuerbar: Denn die Sonne scheint nicht immer dann, wenn auch Strom verbraucht wird. 

Was kosten Solarzellen?

Was eine Solar­zelle kostet, hängt von der Solar­zel­lenart und der Größe ab. Die Anschaf­fung ist immer mit einer Inves­ti­tion verbunden, aller­dings können durch verschie­dene Förder­pro­gramme wie beispiels­weise einer Einspei­se­ver­gü­tung, Direkt­ver­mark­tungs­er­lösen oder einem Power Purchase Agree­ment die Kosten der Inves­ti­tion und des Betriebs der Anlage bald amorti­siert werden. 
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