Einfach erklärt: Wie funktioniert eine Solarzelle?

Solarzellen sind eine faszinierende Technologie, die es ermöglicht die immense Energie der Sonne in elektrischen Strom umzuwandeln. Mithilfe von Solarzellen können Solaranlagen gebaut werden, die einen Teil der enormen Sonnenenergie nutzbar machen.

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Solaranlagen:

• Solarthermieanlagen, die Sonnenenergie in Wärme umwandeln. Sie werden häufig zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung eingesetzt.

• Photovoltaikanlagen, die Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandeln. Der so erzeugte Solarstrom kann entweder selbst genutzt oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

In diesem Artikel geht es um die Funktionsweise von Photovoltaikanlagen und den Solarzellen, die darin zum Einsatz kommen. Durch die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie ermöglichen sie eine saubere Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien.

Unterschied zwischen Solarthermie und Photovoltaik

Solarthermie-Anlagen nutzen die Wärmeenergie der Sonnenstrahlung, um Wasser zu erwärmen. Dabei wird die Wärmeenergie mithilfe von Kollektoren auf der Dachfläche absorbiert und über ein Wärmeträgermedium wie Wasser an einen Pufferspeicher übertragen. Das erwärmte Wasser kann dann zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung genutzt werden.

Im Gegensatz dazu wandeln Photovoltaik-Anlagen die Sonnenstrahlung direkt in elektrischen Strom um. Dafür werden Solarzellen, in der Regel aus Silizium, verwendet. In den Solarzellen werden durch die absorbierten Photonen Elektronen angeregt und dadurch elektrische Spannung erzeugt. Über entsprechende Leitungen wird der Gleichstrom der Solarzellen in Wechselstrom umgewandelt und kann direkt vor Ort genutzt oder ins Stromnetz eingespeist werden.

Die Solarthermie nutzt also die Wärme der Sonnenstrahlung, während die Photovoltaik daraus direkt elektrischen Strom erzeugt. Beide Technologien ergänzen sich gut, um einen möglichst hohen Solarertrag bei der Energieversorgung von Gebäuden zu erreichen.

Aufbau einer Solarzelle

Eine Solarzelle besteht aus verschiedenen Schichten, die jeweils eine bestimmte Funktion haben. Ganz oben befindet sich die Antireflexschicht. Sie reduziert die Reflexion des Sonnenlichts und ermöglicht so, dass mehr Licht in die Solarzelle eindringen kann.

Darunter liegt die obere Kontaktschicht, die aus dünnen Leiterbahnen besteht. Sie transportiert den erzeugten Strom nach außen. Die wichtigste Schicht ist die Siliziumplatte. Sie besteht aus zwei Bereichen: Einem n-dotierten und einem p-dotierten Silizium. An der Grenzfläche zwischen n- und p-Dotierung kommt es zur Umwandlung des Lichts in elektrischen Strom.

Unter der Siliziumplatte befindet sich die untere Kontaktschicht mit Leiterbahnen, um den Strom weiterzuleiten. Zum Schluss ist auf der Rückseite noch eine isolierende Schicht, damit kein Strom verloren geht. Die gesamte Solarzelle ist in ein Solarmodul aus Glas eingebaut, das sie vor Witterungseinflüssen schützt.

Funktionsweise einer Solarzelle

Eine Solarzelle wandelt Sonnenlicht in elektrische Energie um. Dies geschieht durch die Anregung von Elektronen in der Solarzelle.

Wenn Licht auf die Solarzelle trifft, werden Elektronen im Halbleitermaterial der Zelle angeregt. Die Photonen des Lichts übertragen ihre Energie auf die Elektronen im Leitungsband. Dadurch können sich die Elektronen frei bewegen.

Gleichzeitig entstehen durch die Anregung im Halbleiter Löcher im Valenzband. Die angeregten Elektronen und die Löcher bilden Ladungsträger, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen.

An der Grenzfläche zwischen n- und p-dotiertem Silizium entsteht ein elektrisches Feld, das die Elektronen und Löcher trennt und zu den Kontakten leitet. Die Elektronen fließen über die Metallbahnen an der Vorderseite zur negativen Kathode. Die Löcher fließen über das p-dotierte Silizium zur positiven Anode auf der Rückseite.

Durch diesen Stromfluss der Ladungsträger entsteht eine elektrische Spannung an den Kontakten, die zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Je stärker die Solarzelle beleuchtet wird, desto mehr Elektronen werden angeregt und desto höher ist der erzeugte Solarstrom.

Arten von Solarzellen

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen, die sich in ihrer Struktur und Effizienz unterscheiden:

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzigen Kristall aus Silizium. Sie haben den höchsten Wirkungsgrad von typischerweise 15-20%. Allerdings sind sie auch die teuerste Solarzellenart.

Bei der Herstellung werden Siliziumbarren gezogen, um einen einzelnen Kristall zu erzeugen. Dies ist ein aufwendiger und energieintensiver Prozess. Die Zellen haben eine charakteristische einfarbig dunkle Erscheinung.

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen bestehen aus vielen kleinen Siliziumkristallen. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 12-15%. Sie sind günstiger in der Herstellung als monokristalline Zellen.

Die kleinen Kristalle entstehen beim Abkühlen einer Schmelze in einem Behälter. Die Zellen haben eine bläulich schimmernde Oberfläche mit einem typischen Körnungsmuster.

Dünnschichtsolarzellen

Bei Dünnschichtsolarzellen wird eine dünne Schicht eines photovoltaischen Materials auf ein Trägermaterial aufgedampft. Als Materialien kommen vor allem Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) und Kadmiumtellurid (CdTe) zum Einsatz.

Der Wirkungsgrad dieser Zellen ist niedriger, typischerweise 10-13%. Jedoch ist die Herstellung günstiger und materialsparender als bei kristallinen Zellen. Dünnschichtzellen eignen sich gut für die Integration in Gebäude und Kleingeräte.

Gleichstromumwandlung

Die Solarzellen in einer Photovoltaikanlage erzeugen Gleichstrom (DC). Für die Einspeisung in das Stromnetz und die meisten Anwendungen in Haushalten wird jedoch Wechselstrom (AC) benötigt.

Um den Gleichstrom aus den Solarzellen in Wechselstrom umzuwandeln, wird ein Wechselrichter verwendet. Dies ist ein wichtiger Bestandteil der Photovoltaikanlage. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom mit der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz um.

Moderne Wechselrichter für Photovoltaikanlagen sind sehr effizient und wandeln bis zu 98% des Gleichstroms in Wechselstrom um. Sie sind auf die Leistung der Solaranlage abgestimmt und verfügen über Schutzfunktionen wie Überspannungsschutz. Viele Wechselrichter können auch den Ertrag der Anlage überwachen.

Somit ist der Wechselrichter unverzichtbar, um den Solarstrom von der Photovoltaikanlage für die Nutzung im Haushalt oder die Einspeisung ins Netz aufzubereiten. Durch die Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom wird die gesamte erzeugte Solarenergie nutzbar gemacht.

Benötigtes Licht

Solarzellen wandeln vor allem das sichtbare Licht sowie einen Teil des nahen Infrarot- und Ultraviolettlichts in Elektrizität um. Sie nutzen dafür Licht im Wellenlängenbereich von 300 bis 1200 Nanometer. Besonders effizient ist die Umwandlung bei einer Wellenlänge von 500 bis 600 nm, also im grünen und gelben Bereich des sichtbaren Lichts.

Bei diffusem Licht, wie es bei Bewölkung der Fall ist, sinkt der Wirkungsgrad von Solarzellen. Grund dafür ist, dass bei diffusem Licht mehr Anteile im blauen und roten Bereich des Spektrums vorhanden sind. Da diese Wellenlängen weniger effizient genutzt werden, ist die Stromausbeute geringer. Dennoch können Solarzellen auch bei Bewölkung noch einen Teil der Energie nutzen. Entscheidend ist die Gesamtmenge des einfallenden Lichts.

Moderne Solarzellen sind so ausgelegt, dass sie einen möglichst großen Bereich des Sonnenspektrums absorbieren können. Durch Mehrfach-Absorberschichten kann nahezu das gesamte Spektrum genutzt werden. So wird der Wirkungsgrad der Zellen erhöht.

Kosten einer Solarzelle

Der Preis einer Solarzelle hängt stark von den Produktionskosten pro Quadratmeter ab. In den letzten 10 Jahren sind die Preise für Solarmodule deutlich gesunken. 2009 lag der Preis für ein Standard Solarmodul noch bei etwa 3,50 Euro pro Watt Peak. Bis 2019 fielen die Preise auf 0,20 Euro pro Watt Peak.

Dieser starke Preisverfall ist vor allem auf Fortschritte in der Produktionstechnologie und Massenfertigung zurückzuführen. Die Herstellungskosten von Solarzellen konnten durch größere Produktionsmengen und Effizienzsteigerungen erheblich gesenkt werden.

Ein weiterer Einflussfaktor für den Preis ist die Art der Solarzelle. Am günstigsten sind derzeit Solarmodule aus polykristallinem Silizium. Sie kosten etwa 0,20 Euro pro Watt Peak. Teurer sind Module aus monokristallinem Silizium mit rund 0,25 Euro pro Watt Peak. Am teuersten sind Dünnschicht-Solarmodule aus Cadmiumtellurid mit ca. 0,50 Euro pro Watt Peak.

Insgesamt ist davon auszugehen, dass die Preise für Solarzellen auch in den kommenden Jahren weiter sinken werden. Entscheidend ist die Kostendegression durch verbesserte Fertigungsverfahren und Massenproduktion. Langfristig könnten Solarstromanlagen dadurch noch wettbewerbsfähiger gegenüber konventionellen Energieträgern werden.

Kosten einer PV-Anlage

Die Investitionskosten für eine Photovoltaikanlage hängen von verschiedenen Faktoren ab, vor allem von der Größe der Anlage. Für eine Anlage mit ca. 10 kWp Leistung muss man mit Investitionskosten von 10.000 bis 15.000 Euro rechnen.

Die Amortisationsdauer, also die Zeit, bis sich die Investition durch eingesparte Stromkosten bezahlt gemacht hat, beträgt derzeit etwa 10 bis 15 Jahre. Sie hängt von der Anlagengröße, dem Strompreis und der Einspeisevergütung ab.

Um den Ausbau von Photovoltaik zu fördern, gibt es verschiedene Fördermöglichkeiten:

• EEG-Vergütung: Für jede eingespeiste kWh erhält man eine feste Vergütung über 20 Jahre.

• KfW-Förderung: Zinsgünstige Kredite und Tilgungszuschüsse für Anschaffung und Installation.

• Steuerliche Förderung: Über Abschreibung der Anschaffungskosten und Gewinnung von Solarstrom.

• Regionale Förderprogramme: In vielen Bundesländern und Kommunen gibt es weitere Fördermöglichkeiten.

Mit den richtigen Förderungen lässt sich die Amortisationsdauer einer PV-Anlage auf unter 10 Jahre senken. Die Investition lohnt sich also in vielen Fällen.

Vorteile von PV-Anlagen

Eine Photovoltaikanlage bietet Hausbesitzern eine Reihe von Vorteilen:

Unabhängigkeit vom Stromnetz

Mit einer PV-Anlage und einem passenden Stromspeicher kann ein Haus zumindest teilweise unabhängig vom öffentlichen Stromnetz werden. Der selbst erzeugte Solarstrom kann direkt vor Ort genutzt werden, überschüssiger Strom wird in Batterien gespeichert. So kann auch in Zeiten ohne Sonnenschein Solarstrom zur Verfügung stehen. Die Unabhängigkeit vom Stromnetz bedeutet auch Unabhängigkeit von steigenden Strompreisen.

Nachhaltige Stromerzeugung

Eine Solaranlage nutzt die unendlich verfügbare Sonnenenergie, um auf nachhaltige Weise Strom zu erzeugen. Anders als fossile Brennstoffe ist die Solarenergie sauber und belastet die Umwelt nicht mit Treibhausgasen oder anderen Schadstoffen. Mit einer PV-Anlage kann jeder Hausbesitzer einen aktiven Beitrag zum Klimaschutz leisten.

Wertsteigerung des Hauses

Eine Photovoltaikanlage erhöht den Wert einer Immobilie. Viele Käufer legen heute Wert auf einen ökologischen, nachhaltigen Lebensstil und schätzen die Unabhängigkeit und die niedrigeren Energiekosten eines Hauses mit PV-Anlage. Die Anfangsinvestition in die Solaranlage rechnet sich langfristig durch den Mehrwert bei einem späteren Verkauf.

Solarstromspeicher

Ein wichtiger Bestandteil einer Photovoltaikanlage ist der Solarstromspeicher. Dieser speichert den tagsüber produzierten Solarstrom, damit er auch nachts oder bei bewölktem Himmel genutzt werden kann.

Es gibt verschiedene Arten von Batteriespeichern für Photovoltaikanlagen:

• Blei-Säure-Akkus: Diese werden schon lange als Solarstromspeicher eingesetzt und sind relativ günstig. Allerdings haben sie eine begrenzte Lebensdauer und enthalten Schwermetalle.

• Lithium-Ionen-Akkus: Sie haben eine höhere Energiedichte und längere Lebensdauer als Blei-Akkus. Allerdings sind die Anschaffungskosten höher.

• Redox-Flow-Batterien: Bei diesen fließt die Elektrolytlösung durch eine Zelle. Sie eignen sich für große Speicherkapazitäten, sind aber noch relativ teuer.

• Natrium-Schwefel-Akkus: Diese haben eine hohe Energiedichte und lange Lebensdauer. Die Betriebstemperatur muss aber auf 300°C gehalten werden.

Die benötigte Kapazität des Solarstromspeichers hängt von mehreren Faktoren ab, wie der Größe der PV-Anlage, dem Eigenverbrauch und der gewünschten Autarkie. Übliche Kapazitäten für ein Einfamilienhaus liegen zwischen 5-10 kWh.

Die Kosten für Batteriespeicher liegen derzeit bei 500-1000 € pro kWh Speicherkapazität. Dazu kommen noch die Kosten für die Installation und die Wechselrichter. Insgesamt muss man für einen Solarstromspeicher mit 5-10 kWh Kapazität etwa 5000 bis 10.000 € einplanen.

Fazit

Mit einer Photovoltaikanlage plus Energiespeicher können Hausbesitzer die Sonnenenergie nutzen, einen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten und unabhängig vom Strompreis werden. Eine PV-Anlage wandelt mithilfe von Solarzellen das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Dieser Solarstrom kann entweder direkt im Haus verbraucht oder in einen Akku gespeichert werden.

Der große Vorteil: Die Sonne schickt keine Stromrechnung! Nach der Installation produziert die PV-Anlage kostenlosen Solarstrom. Zusätzlich leistet man einen Beitrag zum Klimaschutz, da bei der Stromerzeugung keine CO2-Emissionen entstehen.

Mit einem Energiespeicher wie einer Batterie kann der tagsüber erzeugte Solarstrom auch nachts oder bei bewölktem Himmel genutzt werden. So deckt die PV-Anlage einen großen Teil des eigenen Strombedarfs und man wird unabhängiger vom öffentlichen Stromnetz und steigenden Strompreisen.

Eine Solaranlage zu installieren ist eine zukunftsfähige Investition, die sich bereits nach wenigen Jahren amortisiert. Sie ermöglicht eine nachhaltige und kostengünstige Stromversorgung durch die unerschöpfliche Kraft der Sonne.

FAQ 1 – Unterschied Solaranlage und Photovoltaikanlage

Der Begriff Solaranlage ist der Überbegriff für alle Anlagen, die Sonnenenergie nutzen. Dazu gehören die Solarthermie und die Photovoltaik.

Bei der Solarthermie wird die Wärme der Sonnenstrahlung genutzt, um beispielsweise Brauchwasser zu erhitzen oder die Heizungsanlage zu unterstützen. Dabei werden Kollektoren auf dem Dach montiert, die die Sonnenwärme auf ein Wärmeträgermedium übertragen.

Die Photovoltaik nutzt dagegen den lichtelektrischen Effekt, um aus der Sonnenstrahlung direkt Strom zu erzeugen. Dafür werden Solarmodule, auch Photovoltaik-Module genannt, verwendet. Sie bestehen aus vielen kleinen Solarzellen, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln.

Eine Photovoltaikanlage erzeugt also Strom, während eine Solarthermieanlage Wärme produziert. Beide Technologien nutzen die Sonnenenergie, aber auf unterschiedliche Weise. Solarthermie für Warmwasser und Heizungsunterstützung, Photovoltaik für die Stromerzeugung.

FAQ 2 – Arten von Solarzellen

Es gibt drei gängige Arten von Solarzellen:

Monokristalline Solarzellen

• Hergestellt aus einem einzelnen Kristall aus hochreinem Silizium
• Hoher Wirkungsgrad von 15-20%
• Teurer in der Herstellung
• Bläulich schimmernde Zellen

Polykristalline Solarzellen

• Bestehen aus vielen kleinen Kristallen
• Etwas geringerer Wirkungsgrad von 13-16%
• Günstiger als monokristalline Zellen
• Bläulich schimmernd mit körniger Oberfläche

Dünnschichtsolarzellen

• Sehr dünne Schicht aus speziellen Materialien
• Geringer Wirkungsgrad von 7-13%
• Kostengünstig und einfach herzustellen
• Flexibel und semi-transparent möglich
• Schwarz oder braun

Die monokristallinen Zellen haben den höchsten Wirkungsgrad, sind aber auch am teuersten. Polykristalline Zellen sind ein guter Kompromiss aus Kosten und Effizienz. Dünnschichtzellen eignen sich für spezielle Anwendungen durch Flexibilität und Transparenz.

FAQ 3: Erzeugt eine Solarzelle Gleich- oder Wechselstrom?

Eine Solarzelle erzeugt Gleichstrom (DC). Die photovoltaische Zelle wandelt das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie in Form von Gleichstrom um.

Der erzeugte Gleichstrom muss für die Einspeisung ins Stromnetz oder zur Nutzung im Haushalt in Wechselstrom (AC) gewandelt werden. Dafür ist ein Wechselrichter notwendig, der den Gleichstrom der Solarzellen in Wechselstrom umwandelt.

Der Wechselrichter ist ein wichtiger Bestandteil der Photovoltaikanlage. Moderne Wechselrichter arbeiten mit Wirkungsgraden von über 95%. Sie sind dafür verantwortlich, den Solarstrom in eine nutzbare Form für Haushaltsgeräte oder die Stromversorgung zu bringen.

FAQ 4 – Welches Licht benötigt eine Solarzelle?

Eine Solarzelle kann nur Licht einer bestimmten Wellenlängenbereichs in elektrische Energie umwandeln. Am effizientesten arbeiten die Silizium-Solarzellen bei Wellenlängen des sichtbaren Lichts und des nahen Infrarots.

Das sichtbare Licht umfasst Wellenlängen von etwa 380 bis 780 Nanometer. Solarzellen nutzen hauptsächlich den Bereich von 500 bis 1100 Nanometern. Licht mit kürzeren Wellenlängen, wie ultraviolettes Licht, kann zwar Elektronen anregen, trägt aber kaum zur Stromerzeugung bei. Licht mit längeren Wellenlängen wie fernes Infrarot hat nicht genug Energie, um die Elektronen aus dem Atomverbund lösen zu können.

Die spektrale Empfindlichkeit einer Solarzelle zeigt, bei welchen Wellenlängen wie viel Strom erzeugt wird. Sie hat ihr Maximum im sichtbaren und nahen infraroten Bereich. Damit eine Solarzelle effizient arbeitet, muss das Lichtspektrum die Wellenlängen mit hoher Empfindlichkeit abdecken.

FAQ 5 – Kosten

Die Kosten einer Photovoltaikanlage setzen sich aus mehreren Faktoren zusammen:

• Kosten der Solarmodule
• Wechselrichter
• Montagesystem
• Planung und Installation
• Nebenkosten

Kosten der Solarmodule: Die Preise für Solarmodule sind in den letzten Jahren deutlich gesunken. Aktuell liegen die Kosten bei etwa 0,20 bis 0,25 € pro Watt Peak. Ein Beispiel: Für ein Solarmodul mit 300 Watt Peak Leistung zahlt man derzeit ca. 60 bis 75 €.

Wechselrichter: Hierfür müssen etwa 10 bis 15 % der Solarmodule-Kosten einkalkuliert werden.

Montagesystem: Die Unterkonstruktion für die Dach- oder Freiflächenmontage macht rund 10 % der Gesamtkosten aus.

Installation: Für die fachgerechte Installation durch Elektrofachkräfte sollte man etwa 15 bis 20 % der Kosten einplanen.

Nebenkosten: Dazu gehören die Planung, Genehmigung, Messgeräte und Verkabelung. Diese Posten machen ca. 10 bis 15 % der Gesamtkosten aus.

Gesamtkosten pro kWp: Insgesamt liegen die Kosten für eine Photovoltaikanlage derzeit bei etwa 1200 bis 1600 € pro kWp. Bei einer 10 kWp Anlage wären das also rund 12.000 bis 16.000 €. Mit staatlicher Förderung und Steuervorteilen lässt sich diese Investitionssumme noch reduzieren.

Die Photovoltaik-Stromproduktion ist kostenlos, daher amortisiert sich die Anlage in der Regel nach 10 bis 15 Jahren. Danach produziert sie weitere 15 bis 20 Jahre Solarstrom und spart Stromkosten. Eine PV-Anlage ist daher eine lohnende Investition in die Energieunabhängigkeit.