Letzte Aktualisierung: 23.02.2023
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Alle Solarzellen-Arten, Typen und Unterscheidung einfach erklärt
Wie ist eine Solarzelle aufgebaut und wie funktioniert sie? Welche Arten und -Typen gibt es? Nach welchen Kriterien lässt sich eine Solarzelle unterscheiden?
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Die Sonne liefert uns Energie frei Haus. Diese Energie zählt - anders als fossile Kohle, Gas oder Öl - zu den Erneuerbaren Energien. Die Wertschöpfung der Sonnenenergie ist ökologisch erstrebenswert und ein wichtiger Beitrag zur Energiewende. Zum einen lässt sich die Solarwärme (auch Solarthermie genannt), die die Sonne liefert, nutzen, zum Beispiel als Heizwärme oder Prozesswärme. Zum anderen kann man die Sonnenenergie in Strom umwandeln. Dafür braucht man Solarzellen. In diesem Grundlagenartikel erklären unsere Energie-Experten, was eine Solarzelle ist, wie sie aufgebaut ist und wie sie funktioniert. Außerdem erfahren Sie, welche Solarzellen-Arten gängig sind.
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Von der Zelle zur Solaranlage
Eine Solarzelle ist sozusagen die kleinste Einheit innerhalb einer PV-Anlage. Denn erst deren Anordnung – meist zwischen 36 und 72 an der Zahl - innerhalb eines sogenannten Solarmoduls und deren Aggregation innerhalb einer Anlage stellt den funktionstüchtigen Solargenerator dar, der so viel Strom produzieren kann, um sich im Einfamilienhaus theoretisch vollkommen unabhängig vom Stromnetz selbst mit regenerativer Solarenergie zu versorgen.
Die Solarzelle selbst ist dabei eines der wichtigsten elektrischen Bauteile, das die Energie der Sonnenstrahlung, also des Sonnenlichts, direkt in elektrische Energie, also Elektrizität beziehungsweise Strom, umwandelt. Die Solarzelle wandelt sowohl direkte Strahlung um, als auch diffuse wie sie bei bewölktem Himmel Großteils anfällt. Die Technologie, mit der diese physikalische Fähigkeit (photovoltaischer Effekt) umgesetzt wird, heißt Photovoltaik, kurz: PV.
Die meisten Solarzellen bestehen heute aus dem Material Silizium, das in der Lage ist, Strahlungsenergie in elektrische umzuwandeln, da seine elektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischen Leitern und Nichtleitern liegt (sogenannte Halbleiter). Es liefert elektrische Energie in Form von Gleichstrom. Damit dieser sich nutzen lässt, zum Beispiel als Hausstrom im Haushalt (Eigenverbrauch) und / oder zum Einspeisen ins Stromnetz, braucht man noch einen sogenannten Wechselrichter, der aus dem Gleichstrom Wechselstrom macht und das Bindeglied zwischen Solarzelle bzw. -modul und Stromnetz darstellt. Der Strom lässt sich auch vor Ort erst einmal zwischenlagern, wenn die PV-Anlage eine entsprechende Komponente wie ein Stromspeichersystem umfasst. Dann ist der gespeicherte Solarstrom zu einem späteren Zeitpunkt nutzbar (zeitversetzt).
Der typische Aufbau einer Siliziumzelle
Eine typische Solarzelle ist ein Bauteil aus zwei übereinander liegenden Plättchen aus Silizium. Diese sind unterschiedlich dotiert. Darunter versteht man das Einbringen von fremden Atomen (Störstellen, zum Beispiel Bor und Phosphor) in die kristalline Struktur des Siliziums, was dessen elektrische Eigenschaften beeinflusst, so dass eine Spannung entsteht. Vereinfacht ausgedrückt sorgt die Donation beziehungsweise Dotierung dafür, dass sich die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters Siliziums erhöht. Zwischen den beiden Siliziumschichten bildet sich eine Grenzschicht. Sie kann mittels Sonnenlicht nur von freigesetzten Ladungen (Elektronen und Löcher) passiert werden.
Silizium-Solarzellen bestehen aus zwei unterschiedlich dicken Bereichen, die sich in ihrer Leitfähigkeit unterscheiden. Der eine ist n-leitend, der andere p-leitend, wobei n für einen Überschuss negativer Ladungsträger steht, der zum Beispiel durch eine Verunreinigung des Siliziums mit Phosphor entsteht, und p für einen Überschuss positiver Ladungsträger, der etwa durch eine Verunreinigung mit Bor hervorgerufen wird. In marktüblichen Zellen besteht die untere dickere Schicht aus p-leitendem Silizium, die obere dünne Schicht aus n-leitendem.
Die Außenseiten der Siliziumplättchen, also Vorder- und Rückseite, sind mit metallischen Kontakten bestückt. Meist in Form einer ganzflächigen Kontaktschicht aus Aluminium oder Silber, die per Siebdruck aufgebracht wird. Vorderseitig handelt es sich um Kontakte in Gitterform, so dass das Sonnenlicht ungehindert auf die darunter liegende Siliziumschicht fällt Um die Reflexion der Sonnenstrahlen zu verhindern (sie senkt den Ertrag), dampft man außerdem eine Schicht Siliziumnitrid oder Titandioxid auf die Kontaktschicht der Solarzelle auf.
Grundlegende Funktionsweise des Photoeffekts
Die Umwandlung der Sonnenstrahlung (Lichtenergie) in elektrische Energie (Strom), die die Solarzelle leistet, kann man kurz so beschreiben: Das Licht trifft auf die Zelloberfläche der Siliziumplättchen. Das löst eine Teilchenbewegung aus, die man Strom nennt. Dieser Vorgang wird auch als photoelektrischer Effekt (häufig auch Photoeffekt oder lichtelektrischer Effekt) bezeichnet.
Dieser Photoeffekt ist Grundlage der Stromerzeugung mit einer Solarzelle. Wird diese mit Sonnenlicht bestrahlt, so wird die Energie einer Lichtwelle auf eine große Anzahl an Elektronen aufgeteilt. Die freien Elektronen werden durch das elektrische Feld der Lichtwelle beschleunigt und dadurch zum Mitschwingen angeregt. Dabei nehmen sie solange Energie auf, bis sie die normalerweise das Austreten aus dem Halbleiter verhindernden Kräfte überwinden können.
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Solarzellen – Kriterien zur Typisierung
Solarzellen lassen sich nach mehreren Kriterien unterscheiden. Die möglichen Unterscheidungen stellen wir im Folgenden vor.
Materialdicke
Am häufigsten sortiert man Solarzellen entsprechend der Materialdicke in:
- Dickschicht-Solarzellen
- und Dünnschichtsolarzellen.
Dünnschichtzellen sind etwa 100 Mal dünner als Dickschichtzellen.
Halbleitermaterial
Alternativ ordnet man Solarzellen entsprechend des für sie verwendeten Halbleitermaterials. Wie oben erwähnt, kommt Silizium in Solarzellen am häufigsten zum Einsatz. Das hat mehrere Gründe: Silizium ist preiswert und lässt sich in hochreiner Form und einkristallin (monokristallin) herstellen. Meist in Form sogenannter Wafer, also kreisrunde oder quadratische, etwa ein Millimeter dicke Scheiben aus einkristallinem Silicium.
Andere mögliche Halbleitermaterialien für Solarzellen sind Cadmiumtellerid oder Galliumarsenid. Es gibt auch Solarzellen, die Schichten aus verschiedenen Halbleitern vereinen. Sie nennt man deshalb auch u.a. Mehrfachsolarzellen.
Kristallstruktur
Gängig ist außerdem eine Unterscheidung der Solarzellen nach der Art der kristallinen Struktur, die materialspezifisch ist. Sie kann:
- entweder kristallin (monokristallin oder polykristallin beziehungsweise multikristallin oder mikrokristallin)
- oder amorph sein.
Monokristalline Solarzellen bestehen aus den oben erwähnten Wafern und sind teurer als Solarzellen aus polykristallinen Scheiben, die gegossen werden und deren Kristallorientierung unregelmäßig ist. Solche polykristallinen Solarzellen sind die in PV-Anlagen am meisten verbreiteten.
Amorphe Solarzellen sind aufbautechnisch betrachtet eine dünne, nichtkristalline (daher: amorphe) Siliciumschicht. Wegen ihrer geringen Höhe werden diese amorphen Solarzellen auch Dünnschichtzellen genannt (siehe oben). Die Schicht wird aufgedampft. Solche Solarzellen sind häufig in Taschenrechnern und Uhren im Einsatz.
Mikrokristalline Solarzellen sind Dünnschichtzellen, deren Siliciumschicht eine kristalline Struktur hat. Sie werden teilweise auch in Photovoltaik-Anlagen eingesetzt.
Die Tandem-Solarzellen sind mehrschichtige Solarzellen, die teilweise kristalline und teilweise amorphe Zellenstrukturen aufweisen. Aus der Verschiedenheit der aufeinandergeschichteten Materialien sind resultieren unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Lichts, die die Schichten absorbieren. Die oberste Schicht „erntet“ einen Teil der Strahlung und lässt einen anderen zur nächsten Schicht durch, der dort absorbiert wird. Auf diese Weise ist die Effizienz der Tandem-Solarzellen meist höher als die herkömmlicher Modelle. Allerdings sind sie auch teurer, so dass sie in PV-Anlagen noch nicht weit verbreitet sind.
Organische Solarzellen
Eine zukünftig weiter an Bedeutung gewinnende Zelltechnologie stellen organische Solarzellen als Alternative zu den oben genannten anorganischen Halbleitern dar. Selbst Kombinationen, sogenannte anorganisch-organische Hybride sind im Einsatz. Erwähnenswert sin auch Farbstoffsolarzellen (Grätzel-Zellen).
Sonderformen
Daneben gibt es eine Vielzahl an Sonderformen. So gibt es sogenannte Konzentrator-Solarzellen, bei denen man sich eine Schicht Halbleiter spart und dank einer geometrischen Optik (Lichtbündelung) das auf die Solarzelle fallende Licht auf einen kleineren Bereich konzentriert, so dass bei weniger Material aufgrund kleinerer Fläche eine höhere Effizienz erzielt wird.
| Bezeichnung | Besonderheiten |
|---|---|
| Amorphe Solarzellen | Dünnschichtzellen aus einer dünnen, nichtkristallinen (amorphen) Siliciumschicht (a-Si:H) |
| CIGS-Solarzelle / CIS-Zellen | Solarzellen auf Basis von Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen |
| CSG-Solarzellen (Crystalline Silicon on Glass) | Kristalline Dünnschichtzelle aus Silicium, wobei die Siliciumschicht direkt auf einen Glasträger aufgebracht wird |
| Dünnschichtsolarzellen | Sehr dünnen Solarzellen, die durch Aufdampfen eines Halbleiters auf ein Trägermaterial hergestellt werden |
| Farbstoff-Solarzellen | Grätzel-Zellen nutzen organische Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie |
| Fluoreszenz-Zellen | Konzentrator-Zellen, die durch Fluoreszenz Licht größerer Wellenlänge erzeugen, um dieses durch an den Plattenkanten sitzende Zellen zu wandeln |
| Heterojunction-Solarzellen | Heterojunction ist ein spezielles Herstellungsverfahren, bei die Zellen, idR Silizium-Zellen, im Modul über gut stromleitende Folien miteinander verschaltet werden |
| Hybrid-Solarzelle | Eine Hybridsolarzelle enthält sowohl organische als auch anorganische Bestandteile |
| I-III-VI-Halbleiter-Solarzellen | CIS-, CIGS-Solarzellen (Chalkopyrite) bestehen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid |
| III-V-Halbleiter-Solarzellen | Mehrfachsolarzellen auf Basis von Galliumarsenid (GaAs) in Kombination mit Galliumindiumphosphid (GaInP) oder Germanium (Ge) |
| II-VI-Halbleiter-Solarzellen | Zellen aus Cadmiumtellurid (CdTe) |
| Konzentrator-Solarzellen (Concentrated PV, CPV) | Fluoreszenz-Zellen mit Lichtleitkörpern zumeist mit Fresnel-Linsen oder Spiegeln. Häufig Mehrfachsolarzellen mit III-V-Halbleitern |
| Mehrfach-Solarzellen | Bestehen aus zwei oder mehr Solarzellen mit verschiedenem Material, die monolithisch übereinander geschichtet sind |
| Mikrokristalline Solarzellen | Dünnschichtzellen mit mikrokristalliner Struktur (µc-Si) |
| Monokristalline Solarzellen | Bestehen aus einkristallinen Siliciumscheiben (c-Si) |
| n-Typ-Solarzellen | Hier besteht die dicke untere Schicht aus n-leitendem Silizium, die dünne obere aus p-leitendem. |
| Organische Solarzellen | Solarzellen, die aus Kunststoff bestehen und einfach als dünner Film mit einem industriellen Drucker hergestellt werden können (Plastiksolarzellen) |
| Perowskit-Solarzelle | Silizium freie Zelle auf Grundlage von Perowskit-Kristallen, die aus einer porösen Struktur aus Titandioxid-Partikeln, Iod und Blei bestehen |
| Poly(Multi-)kristalline Solarzellen | Siliciumscheiben, die nicht überall die gleiche Kristallorientierung aufweisen (poly-Si oder mc-Si) |
| p-Typ-Solarzelle | Klassisch aufgebaute Siliciumsolarzelle mit positiv leitender p-Basis und dünner negativ leitender n-Schicht (Emitter) |
| Tandem-Solarzellen | Übereinander geschichtete Solarzellen, meist eine Kombination von polykristallinen und amorphen Zellen |
| Thermische Photovoltaik-Zellen (TPV) | basieren auf InP (früher GaSb) und verwerten Wärmestrahlung, also Licht wesentlich höherer Wellenlänge |
Verfahren zur Herstellung von Solarzellen
Es klang eben schon an, auch die Verfahren zur Herstellung von Solarzellen sind sehr unterschiedlich. Die gängigsten Verfahren zur Herstellung polykristalliner Solarzellen sind:
- Gießverfahren (Blockgussverfahren, Stranggussverfahren)
- Bridgman-Verfahren
- kantenbegrenztes Bandziehverfahren (EFG-Verfahren)
Monokristalline Solarzellen fertigt man zumeist nach einem Verfahren, das den Namen Czochralski trägt. Alternativ werden sie nach dem Zonenschmelzverfahren gefertigt, das auch Float-Zone-Verfahren heißt.
Neben diesen klassischen Verfahren zur Herstellung von Solarzellen gibt es eine Vielzahl weiterer Arten und Sonderformen, die sich zudem rasant weiterentwickeln, da der Fortschritt der Solarzellentechnologie, insbesondere deren Potenzial zur Serienreife zu gelangen, immer auch von der Weiterentwicklung der Produktionsverfahren abhängig ist.
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Häufige Fragen (FAQ)
Wie funktioniert eine Solarzelle?
Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Dazu lösen die auf die Zelle treffenden Photonen Elektronen aus dem Halbleitergitter der Solarzelle. Dadurch fließt Strom, der durch Metallkontakte an beiden Seiten der Zelle abgeführt wird. Der so erzeugte Strom wird über ein Stromkabel dann weiter ins Haus transportiert.
Was ist der Unterschied zwischen Dünn- und Dickschicht-Zellen?
Dickschicht-Solarzellen bestehen aus kristallinem Silizium, in Dünnschichtzellen wird amorphes, nichtkristallines Silizium oder andere Halbleitermaterialien wie Cadmiumtellurid (CdTe) verbaut. Dickschichtzellen haben einen höheren Wirkungsgrad. Sie sind jedoch auch teurer, da sie aus einem Silizium-Block geschnitten werden, während das Halbleitermaterial einer Dünnschicht-Solarzelle hauchdünn auf eine Trägerschicht aufgesprüht oder aufgedampft wird.
Welche Nachteile haben Solarzellen?
Solarzellen erzeugen klimafreundlich, unabhängig, dezentral und ohne Abgase Strom. Im Gegensatz zu anderen Stromerzeugern sind sie jedoch auf Sonnenlicht angewiesen, müssen entsprechend exponiert auf z. B. einem Dach oder einer Freifläche installiert werden und erreichen nur einen maximalen Wirkungsgrad von knapp über 20 %.
