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Photovoltaik Solarzellen

Die Funktionsweise einer Solarzelle ist kompliziert und für Menschen, die nicht Physik studieren, mitunter nicht so leicht zu begreifen. Dennoch wollen wir den Versuch unternehmen, den folgenden Fragen auf den Grund zu gehen und verständliche Antworten darauf zu geben:

  • Wie funktioniert Photovoltaik?
  • Wie funktioniert eine Solarzelle?
  • Wie wird die Solar-Energie in einer Photovoltaikanlage genutzt?

Wie funktioniert Photovoltaik?

Um die Wirkungsweise von Solarzellen zu verstehen, soll zunächst geklärt werden, wie Photovoltaik funktioniert. Photovoltaik bezeichnet die Umwandlung von Lichtenergie – meist Sonnenlicht – in elektrische Energie. Um diese Umwandlung vollziehen zu können, werden Solarzellen benötigt. Bereits seit 1958 wurde Photovoltaik in der Raumfahrt genutzt. Inzwischen wird die Photovoltaik vorrangig auf der Erde zur Erzeugung von Strom genutzt. Dafür werden Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) auf Dachflächen, Freiflächen, auf dem Wasser oder auch an Schallschutzwänden, auf Bushaltestellen oder Parkscheinautomaten errichtet, mit denen die Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Die Funktionsweise einer Solarzelle

Das folgende Video von Prof. Dr. Volker Quaschning von der HTW Berlin veranschaulicht gut die Funktionsweise einer Solarzelle anhand eines Modells:

Eine Solarzelle wird fachsprachlich auch photovoltaische Zelle genannt. Es handelt sich dabei um ein elektrisches Bauelement, das die Strahlungsenergie von Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln kann. Das Licht der Sonne wird also zu Strom. Genauer: Die Photonen – also die winzigen Teilchen, aus denen das Licht besteht – sorgen in der Zelle dafür, dass ein Strom entsteht. Dabei macht man sich in der Solarzelle den sogenannten „photovoltaischen Effekt“ zunutze. Dank diesem gehen Elektronen aus einer Schicht in eine andere über und erzeugen dadurch einen elektrischen Strom. Der Aufbau und das Funktionsprinzip einer Solarzelle sollen im Folgenden genauer erklärt werden.

Achtung: Umgangssprachlich werden auch die Teile eines Sonnenkollektors manchmal fälschlicherweise als Solarzelle bezeichnet. Diese erzeugen aber keinen elektrischen Strom, sondern Prozesswärme. Diese Energie wird in einem Warmwasserspeicher gespeichert und vorrangig zum Heizen oder zum Erwärmen von Wasser verwendet.

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?

Ob monokristalline Solarzellen oder polykristalline Solarzellen – das Wirkungsprinzip ist das gleiche. Beide Modularten enthalten als Halbleiter Silizium, das den elektrischen Strom zwischen den entsprechenden Kontakten leiten soll. Silizium kommt in der Natur in großen Mengen in Form von Sand (Quarz) vor und ist dadurch ein günstiger, reichlich vorhandener Rohstoff. Um die Frage „Wie funktioniert eine Solarzelle?“ beantworten zu können, muss der Aufbau der Zelle im Detail betrachtet werden.

Obwohl die Solarzellen nur wenige Zehntel-Millimeter dick sind und damit etwa der Dicke eines menschlichen Haares entsprechen, besteht jede Solarzelle aus mehreren Schichten. Diese gliedern sich wie folgt:

  1. Obere Kontaktschicht: Obere Kontaktfläche aus Metall, zu der der elektrische Strom hinfließt
  2. n-Schicht: Obere Silizium-Schicht, die mit Elektronenspendern (z.B. Phosphor-Atome) durchsetzt ist
  3. p-n-Übergang: Schmaler, neutraler Grenzübergang zwischen den beiden Silizium-Schichten, in dem ein elektrisches Feld erzeugt wird
  4. p-Schicht: Untere Silizium-Schicht, die mit Elektronenakzeptoren (z.B. Bor-Atome) durchsetzt ist
  5. Untere Kontaktschicht: Untere Kontaktschicht aus Metall, durch die überschüssige Elektronen wieder in die n-Schicht zurück wandern
  6. Äußerer Stromkreis: Obere und untere Kontaktschicht sind über einen äußeren Stromkreis verbunden, durch den die freien Elektronen in die n-Schicht zurückgelangen können

Was ist die Dotierung und wozu dient sie?

Der Vorteil von Halbleitern ist, dass durch zugeführte Energie (z.B. die Energie der Sonneneinstrahlung) in ihnen freie Ladungsträger erzeugt werden können. Das bedeutet: Normalerweise bildet Silizium feste Kristallgitter, die stabil und dadurch nicht elektrisch leitfähig sind. Trifft Sonnenlicht auf eine Silizium-Schicht, können sich einzelne Elektronen aus der Außenschicht der Silizium-Atome lösen. Diese Elektronen sind geladene Teilchen, die dann frei umher wandern und sich an andere Atome anheften können. Dadurch wird das Silizium leitfähig.

Diesen Effekt nutzt man, indem die Siliziumschichten dotiert werden. Dotierung bezeichnet die gezielte „Verunreinigung“ der Silizium-Schichten mit fremden Atomen. Man unterscheidet dabei zwischen n-Dotierung und p-Dotierung.

  • n-Dotierung: Dies ist die Abkürzung für negative Dotierung. Atome, die mehr negativ geladene Elektronen als der Halbleiter-Stoff besitzen, werden in das Kristallgitter des Halbleiters eingebracht. Silizium besitzt in der äußersten Schicht 4 Elektronen. Eine n-Dotierung könnte also mit einem Stoff stattfinden, der 5 äußere Elektronen besitzt, wie beispielsweise Phosphor. Hier ist also ein Elektron zu viel – die Schicht ist negativ geladen. Dieses eine „übrige“ Elektron kann durch die Schichten diffundieren und sich an andere freie Plätze anheften. Ein elektrischer Strom entsteht.
  • p-Dotierung: Dies ist die Abkürzung für positive Dotierung. Atome, die weniger negativ geladene Außen-Elektronen als der Halbleiter-Stoff besitzen, werden in das Kristallgitter des Halbleiters eingebracht. Silizium besitzt 4 äußere Elektronen. Eine p-Dotierung könnte also mit einem Stoff stattfinden, der 3 äußere Elektronen besitzt, wie beispielsweise Bor. In dieser Schicht „fehlt“ also pro Atom ein Elektron – die Schicht ist positiv geladen. Der eine „freie Platz“ kann durch eines der frei herumschwirrenden Elektronen aus der n-Schicht eingenommen werden, die durch die Schichten diffundieren und sich an andere freie Plätze anheften.

Diese Phosphor- und Bor-Atome bezeichnet man als „Dotierelemente“. Sie müssen nur in einer äußerst geringer Menge in die Siliziumgitter eingebracht werden. Schwach dotierte Siliziumkristalle haben nur ein einziges Fremdatom auf 1 Million Siliziumatome. Die höchste Dotierung ist erreicht bei einem Verhältnis von 1 Fremdatom auf 1.000 Siliziumatome.

Auf den Wirkungsgrad der Solarzelle hat die Dotierung nur teilweise einen Einfluss. Andere Faktoren wie die verwendeten Materialien und die Art der Herstellung spielen eine große Rolle für den Wirkungsgrad der Solarmodule.

Wie kann das Solarmodul Strom erzeugen?

Das Video von simpleclub erklärt auch noch einmal anschaulich, wie eine Solarzelle funktioniert:

Die Frage „Wie funktioniert eine Solarzelle?“ ist beantwortet. Doch wie kann die photovoltaische Zelle nun Strom erzeugen und ins Stromnetz einspeisen? Hier kommen die Module ins Spiel, die auf Dächern oder Freiflächen installiert werden. Zur Stromerzeugung werden einzelne Solarzellen in Reihe geschaltet, anschließend erfolgt eine Kapselung. Diesen Verbund aus Solarzellen kennen wir als Solarmodule. Es existieren viele verschiedene Zelltypen, die nach dem verwendeten Halbleitermaterial (Silizium oder andere Materialverbindungen) und nach der Zelltechnologie (Wafer-basiert oder Dünnschicht) unterschieden werden. Seit Beginn der Solartechnik ist Silizium das wichtigste Halbleitermaterial. Im Jahr 2013 wurden weltweit etwa 90 Prozent aller Solarzellen aus poly- oder monokristallinen Silizium-Wafern (Scheiben) gefertigt. Dünnschichtzellen aus nicht-kristallinem Silizium machen einen Marktanteil von etwa 10 Prozent aus.

Bei Dünnschichtmodulen ist die Reihenschaltung in den Prozess der Zellfertigung integriert, bei den kristallinen Modulen erfolgt die Reihenschaltung durch Auflöten von Verbindern auf fertige Solarzellen. Um mit einem Solarmodul Energie erzeugen und ins Stromnetz einspeisen zu können, werden folgende Bauelemente benötigt:

  • Solarmodul (Zellen und Verbindungen)
  • Solargenerator
  • Wechselrichter
  • Stromzähler (Einspeisezähler und eventuell Bezugszähler)
  • Solarkabel und Stromleitungen

Das System aus Solarmodulen und den anderen Bauteilen wird als Photovoltaikanlage oder Solaranlage bezeichnet. Die PV-Anlage ist mit diesen Teilen bereits komplett und kann damit beginnen, Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln und diese zu speichern oder ins Stromnetz einzuspeisen.

Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Die Frage „Wie funktioniert eine Solarzelle?“ ist fest mit weiteren Fragen wie „Wie funktioniert Photovoltaik?“ und „Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?“ verbunden. Abschließend soll daher ein kurzer Einblick in die Funktionsweise einer PV-Anlage gegeben werden und wie die Energie in dieser genutzt wird.

Mithilfe eines Montagesystems wird die Anlage auf der Dachfläche installiert. Die zu Solarmodulen verbundenen Solarzellen wandeln die Energie des Sonnenlichts in elektrische Spannung um. Diese wird an der Oberfläche der Zellen über Metallkontakte abgenommen und über spezielle Solarkabel (Gleichstromkabel) und einen Solargenerator ins Haus geleitet. Die erzeugte Elektrizität kann ins öffentliche Stromnetz eingespeist, direkt genutzt oder in Akkumulatoren gespeichert werden. In jedem Fall muss die vom Solarmodul erzeugte Gleichspannung zunächst umgewandelt werden, da die Stromnetze in Deutschland mit Wechselstrom arbeiten. Dies erfolgt mithilfe eines Wechselrichters. Danach wird der Strom über herkömmliche Stromkabel entweder direkt an den Verbraucher geleitet, in Akkumulatoren gespeichert oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Wird der Strom eingespeist, wie es bei einem Solar Investment üblich ist, ist zwischen dem Wechselrichter und dem öffentlichen Stromnetz ein Einspeisezähler geschaltet, der die eingespeiste Energiemenge zählt. So kann für jeden Zeitpunkt genau bestimmt werden, wie viel Solarstrom produziert wird und welche Leistung die Solaranlage erbringt.

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