Die Solarzelle – Funktion, Wirkungsgrad & Lebensdauer

Solarzellen sind mittlerweile aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie wandeln das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um und kommen daher in den verschiedensten Bereichen zum Einsatz: von kleinen Geräten wie Taschenrechnern über Parkscheinautomaten bis hin zu großen Solarkraftwerken.

Doch wie genau funktioniert der Wandel von Licht zu Strom in der Solarzelle? Und welche unterschiedlichen Typen von Solarzellen gibt es? In diesem Artikel möchten wir die grundlegenden Prinzipien und Funktionsweisen von Solarzellen erklären. Wir stellen die gängigen Solarzellentypen vor und geben einen Überblick über die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten dieser faszinierenden Technologie.

Was sind Solarzellen?

Solarzellen sind Halbleiterbauteile, die meist aus Silizium bestehen. Sie können Licht in elektrischen Strom umwandeln – dies wird auch photovoltaischer Effekt genannt.

Der photovoltaische Effekt wurde 1839 von dem Physiker Alexandre-Edmond Becquerel entdeckt. Die erste Solarzelle zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie wurde jedoch erst im Jahr 1854 von Charles Fritts entwickelt. Seitdem hat sich die Solarzellentechnologie stetig weiterentwickelt.

Das Funktionsprinzip von Solarzellen beruht darauf, dass in den Halbleitermaterialien durch die Absorption von Photonen Elektronen angeregt werden und so ein elektrischer Strom entsteht. Diesen Vorgang macht man sich in Solarzellen zunutze, um aus Sonnenlicht elektrische Energie zu gewinnen.

Wie funktionieren Solarzellen?

Solarzellen bestehen aus speziellen Halbleitermaterialien wie Silizium, die positiv geladene und negativ geladene Ladungsträger enthalten. Wenn Licht auf die Solarzelle fällt, werden Elektronen im Halbleitermaterial angeregt und können sich frei bewegen.

Durch den Lichteinfall werden also negative Elektronen von positiven Löchern getrennt. Die frei gewordenen Elektronen fließen über Metallkontakte zum Positivpol der Solarzelle und die Löcher zum Negativpol. Auf diesem Weg werden die Elektronen gezwungen, einen äußeren Stromkreis zu durchqueren, wodurch elektrischer Strom entsteht.

Je mehr Licht auf die Solarzelle fällt, desto mehr Elektronen werden freigesetzt und in Bewegung versetzt. Damit erhöht sich die Menge des erzeugten elektrischen Stroms. Die Intensität des Lichteinfalls bestimmt also direkt, wie viel Strom eine Solarzelle erzeugen kann.

Typen von Solarzellen

Es gibt verschiedene Typen von Solarzellen, die sich in ihrer Zusammensetzung und Struktur unterscheiden:

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzelnen Kristall aus hochreinem Silizium. Die regelmäßige atomare Struktur des Einkristalls sorgt für einen hohen Wirkungsgrad von 15-20%. Allerdings ist die Herstellung dieser Zellen sehr aufwendig und teuer.

Polycristalline Solarzellen

Im Gegensatz zu monokristallinen Zellen bestehen polykristalline Solarzellen aus mehreren kleinen Siliziumkristallen. Der Herstellungsprozess ist einfacher und kostengünstiger, allerdings ist der Wirkungsgrad mit 13-16% etwas niedriger.

Dünnschichtsolarzellen

Bei Dünnschichtsolarzellen wird eine dünne Schicht eines photovoltaischen Materials auf ein Trägermaterial aufgedampft. Als Materialien kommen z.B. amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Diselenid oder Cadmiumtellurid zum Einsatz. Dünnschichtzellen sind preisgünstig herzustellen, allerdings ist der Wirkungsgrad mit 5-13% niedrig.

Organische Solarzellen

Organische Solarzellen bestehen aus organischen Halbleitern wie Fullerenen oder Farbstoffen. Sie können kostengünstig z.B. aus Lösung aufgebracht werden, sind flexibel einsetzbar aber haben mit 5-7% einen sehr niedrigen Wirkungsgrad.

Anwendungsbereiche

Solarzellen finden inzwischen in den verschiedensten Bereichen Anwendung. Hier einige Beispiele:

• Taschenrechner und Uhren: Schon seit den 1970er Jahren werden Solarzellen zur Stromversorgung von Taschenrechnern und Armbanduhren eingesetzt. Die Zellen werden dabei in das Gehäuse integriert und wandeln das einfallende Umgebungslicht in Elektrizität um. So muss die Batterie nicht oft ausgewechselt werden.

• Satelliten: Auf Satelliten im Weltraum kommen meist Solarzellen zum Einsatz, da diese dort eine zuverlässige Stromquelle darstellen. Die Solarzellen bedecken große Flächen der Satelliten und versorgen die Bordelektronik mit Energie.

• Raumfahrt: Auch Raumsonden und Raumschiffe wie die Internationale Raumstation ISS werden mit Solarenergie betrieben. Spezielle Solarzellen aus Galliumarsenid halten den harten Bedingungen des Weltraums stand.

• Solarkraftwerke: Zur großtechnischen Stromerzeugung werden Tausende von Solarzellen zu Solarmodulen zusammengeschaltet. Mehrere Module bilden ein Solarkraftwerk. Solarkraftwerke können mittlerweile ganze Städte mit ökologische Strom versorgen.

• Solardächer: Immer mehr Eigenheimbesitzer und Unternehmen statten ihre Dächer mit Solarzellen aus. Der so gewonnene Solarstrom wird selbst genutzt oder gegen Vergütung ins öffentliche Netz eingespeist. Solarzellen auf dem Dach bieten eine umweltfreundliche und zukunftssichere Stromquelle.

Vor- und Nachteile

Solarzellen haben einige Vorteile, die ihre Verbreitung begünstigen. Da sie Sonnenenergie nutzen, sind sie umweltfreundlich und nutzen eine unbegrenzte Ressource. Zudem sind Solarzellen recht wartungsarm, da sie keine beweglichen Teile haben.

Allerdings gibt es auch Nachteile zu beachten. Die Effizienz von Solarzellen ist begrenzt, daher ist eine große Fläche nötig, um viel Strom zu erzeugen. Zudem hängt die Stromerzeugung von Wetter und Tageszeit ab, da Solarzellen nur bei Sonneneinstrahlung funktionieren. An bewölkten Tagen und in der Nacht fällt somit keine Energie an.

Insgesamt überwiegen jedoch die Vorteile, sodass die Solarzellentechnik kontinuierlich weiterentwickelt wird, um die Nachteile zu minimieren.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad von Solarzellen gibt an, wie viel der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Bei der Erfindung der ersten Solarzelle durch Charles Fritts im Jahr 1854 lag der Wirkungsgrad nur bei 1-2%. Seitdem konnte der Wirkungsgrad durch technologische Innovationen und verbesserte Herstellungsverfahren kontinuierlich gesteigert werden.

Heute liegt der Wirkungsgrad handelsüblicher Solarzellen je nach Typ und Herstellungsverfahren bei 14-22%. Silizium-Solarzellen kommen auf ca. 14-20% Wirkungsgrad. Noch höhere Wirkungsgrade von über 20% können mit Mehrfachsolarzellen auf Basis von Galliumarsenid oder Indiumphosphid erreicht werden. Diese finden vor allem in der Raumfahrt Anwendung.

Insgesamt hat sich der Wirkungsgrad von Solarzellen seit ihrer Erfindung vor über 150 Jahren um den Faktor 10 bis 20 erhöht. Mit stetiger Weiterentwicklung in Materialforschung und Produktionsprozessen ist auch zukünftig mit weiteren Effizienzsteigerungen zu rechnen. Höhere Wirkungsgrade ermöglichen es, aus der gleichen Solarzellenfläche mehr Strom zu erzeugen und die Solarenergie noch effizienter zu nutzen.

Zukunft von Solarzellen

Die Solarzellentechnologie entwickelt sich ständig weiter. Wichtige Ziele für die Zukunft sind:

• Fortschritte bei Materialien und Schichten: Durch neuartige Materialien und Schichtstrukturen soll der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden. Vielversprechend sind beispielsweise Perowskite. Diese können relativ einfach und kostengünstig hergestellt werden.

• Neuartige Konzepte wie Tandemzellen: Bei Tandemzellen werden zwei Solarzellentypen übereinandergeschichtet. So können unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums optimal genutzt werden. Der Wirkungsgrad kann so auf über 30% gesteigert werden.

• Ziel von über 50% Wirkungsgrad: Langfristiges Ziel ist ein Wirkungsgrad von deutlich über 50%. Dies könnte durch Mehrfach-Tandemzellen oder die Kombination mit Thermoelektrik erreicht werden.

Durch stetige Weiterentwicklung haben sich Wirkungsgrad und Kosten von Solarzellen in den letzten Jahrzehnten enorm verbessert. Mit neuen Materialien, Schichten und Konzepten ist auch in Zukunft mit großen Fortschritten zu rechnen. So könnte die Solarenergie bald einen noch größeren Beitrag zur sauberen Stromerzeugung leisten.

Fazit

Solarzellen sind heutzutage aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Ihre einfache und faszinierende Funktionsweise ermöglicht die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom und hat damit unser Leben nachhaltig verändert.

Seit der Erfindung der ersten Solarzelle vor über 160 Jahren hat sich die Technologie rasant weiterentwickelt. Die Effizienz von Solarzellen konnte dabei stetig gesteigert werden, von weniger als 1% bei den ersten Exemplaren auf über 20% bei modernen Solarzellen. Dies ermöglicht einen immer effizienteren und kostengünstigeren Einsatz der Sonnenenergie.

Solarzellen haben somit ein enormes Zukunftspotenzial. Durch weitere Effizienzsteigerungen und Kostensenkungen können sie einen immer größeren Anteil an der weltweiten Stromerzeugung ausmachen und so einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen und klimafreundlichen Energiegewinnung leisten. Die Sonnenenergie steht uns schließlich praktisch unbegrenzt zur Verfügung.

Die faszinierende und zukunftsweisende Technologie der Solarzellen wird unser Leben daher auch in Zukunft positiv beeinflussen und gestalten. Ihr Potenzial ist längst nicht ausgeschöpft.

James

Gründer von Balkonkraftwerk800W. Seit 2019 spezialisiere ich mich auf das Verfassen zahlreicher Solar-PV-Testberichte, PV-Produktvergleiche und Balkonkraftwerk-Ratgeber. Ich behalte stets eine objektive und unabhängige Perspektive bei.