Die Funktionsweise der Solarzellen

Solarzellen wandeln die Sonnenenergie mit Hilfe des photoelektrischen Effektes (der Photovoltaik) in elektrischen Strom um. Sie funktionieren wie Photodioden. Da sie meist aus Halbleiter- Material bestehen erzeugen sie aus der Solarenergie freie Ladungen in einem internen elektrischen Feld, das die Ladungen in unterschiedliche Richtungen steuert. So wird elektrischer Strom mit einer Leistung von maximal 0,5 Volt pro Solarzelle erzeugt. Es gibt unterschiedliche Arten von Solarzellen, man kann sie nach der Art des Materials und der ihrer Dicke kategorisieren.

Solarzellen Überblick

Die größe der Solarzellen liegt zwischen 100 und 150 Quadratzentimer. Die Solarzelle bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien, am häufigsten wird Silizium verwandt. Aus Silizium werden über 95 Prozent der weltweit produzierten Solarzellen hergestellt. Die Vorteile von Silizium sind, dass es sehr häufig auf der Erde vorkommt und daher kostengünstig ist, und dass es umweltverträglich verarbeitet werden kann. Während man am Anfang oft Silizium schlechter Qualität, das als Abfallstoff anderer Produkte entstand, verwandte, werden Solarzellen heute aus hochwertigem Silizium gemacht.

Halbleiter

Halbleiter sind Stoffe, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken. Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert". Damit ist das Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuß oder einen negativen Ladungsträgerüberschuß im Halbleitermaterial erzielen kann. Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein Übergang. An dem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontakte kann eine elektrische Spannung gesammelt werden. Wird ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt ein Gleichstrom.

Organische Solarzellen

Seit neuestem gibt es aber auch den Ansatz Solarzellen aus organischen Materialien herzustellen. Siliziumzellen sind mit einer durchsichtigen Schutzschicht bedeckt die die Reflexionen vermindert und das Material schützen soll. Die Technik der Solarzellen wird noch ständig verbessert, zur Zeit beträgt der maximal mit einer Solarzelle erreichbare Wirkungsgrad, das heißt der Anteil an der auftreffenden Solarenergie, der von der Zelle verwertet werden kann 85 Prozent. Durch einen verbesserten Wirkungsgrad der einzelnen Solarzellen könnten auch die Kosten gesenkt werden. Allerdings sind dem maximalen Wirkungsgrad der Solarzellen auch Grenzen gesetzt, da sich bestimmte Materialien auch nur für bestimmte Spektrumsbereiche des Sonnenlichtes eignen. Des weiteren arbeitet man weltweit an einer Verbesserung des Produktionsprozesses.

Photovoltaikanlage - Solarmodule

Eine Photovoltaikanlage besteht aus Solarmodulen, in denen viele Solarzellen elektrisch verschaltet sind. Mehrere Module werden dann zu einem Solargenerator verbunden. Die Solarzellen produzieren Gleichstrom, dieser wird von einem sogenannten Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und bei netzgekoppelten Anlagen ins öffentliche Netz eingespeist. Das hat für den Besitzer der Solaranlage den Vorteil, dass er in Zeiten ohne Sonne Strom aus dem normalen Netz beziehen kann. Alternativ kann der Strom auch direkt im eigenen Haushalt verbraucht, und nur der Stromüberschuss der Solaranlage ins Netz eingespeist, werden.

Arten der Solar- Siliziumzellen

Man unterscheidet bei den Siliziumzellen drei Qualitätsstufen.

Monokristallinen Zellen -Solarzellen

Die hochwertigen monokristallinen Solarzellen werden aus reinem Hableitermaterial gemacht und erreichen sehr hohe Wirkungsgrade, sind aber auch teuer in der Herstellung.

Poly- kristalline Zellen - Solarzellen

Sogenannte poly- kristalline Solarzellen sind kostengünstiger in der Herstellung. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen und dann in Scheiben geschnitten, wobei Fehler im Material entstehen und zu einem geringeren Wirkungsgrad der Solarzellen führen.

Dünnschichtzellen Solarzellen

Am billigsten, aber auch am wenigsten effektiv sind Solar- Dünnschichtzellen bei denen auf Glas oder anderes Material eine Siliziumschicht appliziert wird. Hier sind vor allem die Materialkosten für die Solarzellen niedrig. Diese Dünnschichtzellen werden vor allem bei billigeren, kleineren Produkten wie Taschenrechnern oder Uhren verwandt, sie eignen sich aber auch als Fassadenelemente.