Wie funktioniert eine Photovoltaik-Solarzelle? Aufbau, Funktion und Arten einfach erklärt

Wie funktioniert eine Solarzelle? – Kurz erklärt

Eine Solarzelle verwandelt Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom – ganz ohne bewegliche Teile oder Verbrennung. Im Gegensatz zur Solarthermie, die Wärme erzeugt, nutzt die Photovoltaik den sogenannten photoelektrischen Effekt. Jede einzelne Solarzelle funktioniert dabei wie ein kleines Kraftwerk.

Das Herzstück bildet Silizium, ein Halbleitermaterial, das aus gewöhnlichem Quarzsand gewonnen wird. Halbleiter haben eine besondere Eigenschaft: Sie leiten Strom nicht von Natur aus, werden aber durch Energiezufuhr – etwa durch Licht – elektrisch leitfähig.

In einer Solarzelle liegen zwei unterschiedlich behandelte Siliziumschichten übereinander:

• Die n-Schicht (negativ) enthält Silizium, das mit Phosphor versetzt wurde. Dadurch entsteht ein Überschuss an freien Elektronen.
• Die p-Schicht (positiv) ist mit Bor dotiert und weist einen Elektronenmangel auf – hier befinden sich sogenannte „Löcher".

An der Grenzfläche zwischen beiden Schichten – dem p-n-Übergang – entsteht ein stabiles elektrisches Feld. Wenn nun Lichtteilchen (Photonen) auf die Solarzelle treffen, lösen sie Elektronen aus ihren Bindungen. Das elektrische Feld treibt diese Elektronen in eine bestimmte Richtung und erzeugt so eine elektrische Spannung.

Wichtig zu wissen: Solarzellen produzieren auch bei bewölktem Himmel Strom, da diffuses Licht ebenfalls Photonen enthält. Allerdings kann nicht jedes Licht optimal genutzt werden. Photonen mit zu geringer Energie durchdringen die Zelle ungenutzt (Transmissionsverluste), während Photonen mit zu viel Energie die Zelle erwärmen statt effizient Strom zu erzeugen (Thermalisierungsverluste).

Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle ist das kleinste funktionale Bauteil einer Photovoltaikanlage und bildet das Herzstück jedes Solarmoduls. Ihre Aufgabe besteht darin, Sonnenstrahlung – genauer gesagt die darin enthaltenen Lichtpartikel, sogenannte Photonen – direkt in elektrischen Strom umzuwandeln. Damit stellt jede einzelne Solarzelle im Grunde ein winziges Kraftwerk dar.

Das wichtigste Material für die Herstellung von Solarzellen ist Silizium, ein Halbleiter, der aus gewöhnlichem Quarzsand gewonnen wird. Halbleiter besitzen eine besondere Eigenschaft: Im Normalzustand verhalten sie sich wie Isolatoren und leiten keinen Strom. Sobald ihnen jedoch Energie in Form von Licht zugeführt wird, werden sie elektrisch leitfähig. Diese Eigenschaft macht Silizium zum idealen Werkstoff für die Stromerzeugung aus Sonnenlicht.

Technisch betrachtet funktioniert eine Solarzelle wie eine Halbleiterdiode – ein elektronisches Bauteil, das Strom nur in eine Richtung fließen lässt. Sie besteht aus zwei unterschiedlich behandelten Siliziumschichten:

• Die n-Schicht (negativ) ist mit Phosphor versetzt. Da Phosphoratome fünf Außenelektronen besitzen, während Silizium nur vier hat, entsteht ein Überschuss an freien Elektronen.
• Die p-Schicht (positiv) enthält Bor mit nur drei Außenelektronen, wodurch ein Elektronenmangel – sogenannte "Löcher" – entsteht.

An der Grenzfläche dieser beiden Schichten bildet sich der sogenannte p-n-Übergang. Hier entsteht ein stabiles elektrisches Feld, das die Grundlage für die Stromerzeugung schafft. Treffen Photonen auf dieses Feld, setzen sie Elektronen in Bewegung und erzeugen eine elektrische Spannung.

Mehrere Solarzellen werden zu einem Solarmodul zusammengeschaltet, wobei die genaue Anzahl von der Modulgröße abhängt. Ein wichtiger Vorteil: Solarzellen arbeiten auch bei bewölktem Himmel, da sie diffuses Licht ebenfalls nutzen können.

Aufbau einer Solarzelle

Eine Solarzelle ist im Grunde eine Halbleiterdiode, die Lichtenergie in elektrischen Strom umwandelt. Das Herzstück bildet dabei der Halbleiter Silizium – ein Element, das aus gewöhnlichem Quarzsand gewonnen wird und zu den häufigsten Stoffen auf der Erde gehört.

Halbleiter wie Silizium haben eine besondere Eigenschaft: Im Normalzustand verhalten sie sich wie Isolatoren und leiten keinen Strom. Sobald jedoch Energie in Form von Licht oder Wärme zugeführt wird, werden sie leitfähig. Diese Eigenschaft macht sie ideal für die Stromerzeugung aus Sonnenlicht.

Siliziumatome besitzen vier Außenelektronen in ihrer Atomhülle. Um aus diesem Material eine funktionsfähige Solarzelle herzustellen, werden zwei unterschiedlich behandelte Siliziumschichten benötigt:

Die n-Schicht (negativ geladen): Hier wird das Silizium mit Phosphor versetzt – ein Prozess, der als Dotierung bezeichnet wird. Da Phosphoratome fünf Außenelektronen besitzen, entsteht ein Überschuss an freien Elektronen.

Die p-Schicht (positiv geladen): Diese Schicht wird mit Bor dotiert. Boratome haben nur drei Außenelektronen, wodurch sogenannte „Löcher" entstehen – also Stellen, an denen Elektronen fehlen.

Werden diese beiden Schichten zusammengebracht, geschieht etwas Entscheidendes: Elektronen aus der n-Schicht wandern in die Löcher der p-Schicht, um einen Ladungsausgleich herzustellen. An der Grenzfläche zwischen beiden Schichten entsteht dadurch der sogenannte p-n-Übergang. Dieser Übergang verhindert einen weiteren Ladungsausgleich und erzeugt ein stabiles elektrisches Feld innerhalb der Zelle.

Dieses elektrische Feld ist die Voraussetzung dafür, dass bei Lichteinfall ein gerichteter Stromfluss entstehen kann. Einzelne Solarzellen werden anschließend zu größeren Solarmodulen zusammengeschlossen, um nutzbare Strommengen zu erzeugen.

Was passiert in der Solarzelle? – Der physikalische Prozess

Der Kern der Stromerzeugung in einer Photovoltaik-Solarzelle liegt im sogenannten photovoltaischen Effekt – einem faszinierenden physikalischen Prozess, der Lichtenergie direkt in elektrische Energie umwandelt.

Alles beginnt mit dem Sonnenlicht, das aus winzigen Energiepaketen besteht: den Photonen. Wenn diese Lichtteilchen auf die Oberfläche einer Solarzelle treffen, übertragen sie ihre Energie auf das darunterliegende Halbleitermaterial – in den meisten Fällen Silizium. Silizium verhält sich normalerweise wie ein Isolator, wird aber durch die zugeführte Lichtenergie leitfähig.

Die entscheidende Rolle des p-n-Übergangs

Das Herzstück jeder Solarzelle ist der p-n-Übergang, also die Grenzschicht zwischen zwei unterschiedlich behandelten Siliziumschichten. Die obere n-Schicht wurde mit Phosphor angereichert und besitzt dadurch einen Überschuss an freien Elektronen. Die untere p-Schicht enthält Bor und weist einen Elektronenmangel auf – hier entstehen sogenannte „Löcher", also positiv geladene Fehlstellen.

An diesem Übergang baut sich ein stabiles elektrisches Feld auf, das für die Stromerzeugung unverzichtbar ist.

Von der Lichtabsorption zum Stromfluss

Sobald Photonen mit ausreichend Energie auf die Solarzelle treffen, lösen sie Elektronen aus ihrer Bindung im Siliziumkristall. Zurück bleiben positiv geladene Löcher. Das elektrische Feld am p-n-Übergang sorgt nun dafür, dass sich diese Ladungsträger trennen: Die Elektronen wandern zur n-Schicht an der Oberseite, während die Löcher zur p-Schicht an der Unterseite driften.

Metallische Kontakte auf beiden Seiten der Zelle sammeln die Ladungsträger ein. Auf der Vorderseite sind diese Kontakte als feines Gitter ausgeführt, damit möglichst viel Licht durchdringen kann. Die Rückseite trägt eine ganzflächige Kontaktschicht. Verbindet man beide Seiten über einen externen Stromkreis, fließen die Elektronen zurück zur p-Schicht – ein kontinuierlicher Stromfluss entsteht.

Wichtig zu wissen: Solarzellen erzeugen ausschließlich Gleichstrom. Für die Nutzung im Haushalt muss dieser durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden.

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Für private Anwender stehen drei grundlegende Solarzellenarten zur Verfügung, die sich in Herstellung, Leistung und Preis unterscheiden. Die grundlegende Funktionsweise – also die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom durch den photovoltaischen Effekt – bleibt bei allen Typen identisch.

Monokristalline Solarzellen werden aus besonders reinem Silizium hergestellt, das in einem aufwendigen Verfahren zu einem einzigen großen Kristall gezogen wird. Diese hohe Reinheit ermöglicht den besten Wirkungsgrad aller Solarzellenarten: Zwischen 14 und 22 Prozent des einfallenden Sonnenlichts werden in Strom umgewandelt. Der Nachteil liegt in den höheren Anschaffungskosten, die durch den energieintensiven Herstellungsprozess entstehen. Monokristalline Zellen eignen sich besonders für Standorte mit viel direkter Sonneneinstrahlung.

Polykristalline Solarzellen bestehen aus vielen unterschiedlich großen Siliziumkristallen. Der einfachere Herstellungsprozess benötigt weniger Energie, was diese Zellen günstiger macht und ihnen eine bessere Umweltbilanz verleiht. Mit einem Wirkungsgrad von 13 bis 20 Prozent liegen sie nur knapp unter den monokristallinen Varianten und bieten damit ein attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis.

Dünnschichtzellen unterscheiden sich grundlegend von den kristallinen Typen. Hier wird Silizium in einer amorphen, nichtkristallinen Struktur hauchdünn auf ein Trägermaterial wie Glas aufgetragen. Das macht sie leicht, flexibel und besonders günstig in der Herstellung – ideal für Mini-Solaranlagen und Balkonkraftwerke. Allerdings erreichen sie nur einen Wirkungsgrad von 6 bis 8 Prozent, was durch größere Modulflächen ausgeglichen werden muss. Neuere Materialien wie Cadmium-Tellurid oder Kupfer-Indium-Diselenid können den Wirkungsgrad auf 8 bis 10 Prozent steigern.

Die Wahl der passenden Solarzellenart hängt letztlich von den individuellen Anforderungen, dem verfügbaren Budget und dem geplanten Einsatzort ab.

Wirkungsgrad der Solarzellen

Der Wirkungsgrad ist eine der wichtigsten Kennzahlen, wenn es darum geht, die Leistungsfähigkeit einer Solarzelle zu bewerten. Er gibt an, welcher Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung tatsächlich in nutzbaren elektrischen Strom umgewandelt wird. Liegt der Wirkungsgrad beispielsweise bei 20 Prozent, bedeutet dies, dass ein Fünftel der auftreffenden Lichtenergie als Strom zur Verfügung steht.

Je höher der Wirkungsgrad einer Solarzelle ausfällt, desto mehr Solarstrom kann auf derselben Fläche produziert werden. Dies ist besonders relevant, wenn nur begrenzte Dachflächen für die Installation einer Photovoltaikanlage zur Verfügung stehen. Die genaue Angabe zum Wirkungsgrad findet sich im Datenblatt des jeweiligen Herstellers und sollte bei der Auswahl von Solarmodulen stets berücksichtigt werden.

Zwei wesentliche Faktoren bestimmen die Höhe des Wirkungsgrads: das verwendete Material und das Herstellungsverfahren. Monokristalline Solarzellen erreichen aufgrund ihrer einheitlichen Kristallstruktur höhere Wirkungsgrade als polykristalline oder Dünnschichtzellen. Gleichzeitig beeinflusst die Produktionsqualität, wie effizient die Zellen letztendlich arbeiten.

Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad, Material und Preis. Hocheffiziente Solarzellen erfordern aufwendigere Herstellungsprozesse und hochwertigere Materialien, was sich im Anschaffungspreis der gesamten PV-Anlage widerspiegelt. Bei der Planung einer Solaranlage gilt es daher, das optimale Verhältnis zwischen Effizienz, verfügbarer Fläche und Budget zu finden.

Faktoren, die den Wirkungsgrad beeinflussen

Der Wirkungsgrad einer Photovoltaik-Solarzelle im Labor unterscheidet sich deutlich von der tatsächlichen Leistung im Alltag. Zahlreiche externe und interne Faktoren bestimmen, wie viel Sonnenlicht eine Anlage letztendlich in nutzbaren Strom umwandelt.

Ausrichtung und Neigung der Module

Die Ausrichtung der Solarmodule spielt eine entscheidende Rolle für den Energieertrag. In Mitteleuropa liefert eine Südausrichtung den maximalen Jahresertrag, da die Module über den Tag verteilt die meiste direkte Sonneneinstrahlung erhalten. Eine Ost-West-Ausrichtung kann jedoch ebenfalls sinnvoll sein, da sie bessere Erträge in den Morgen- und Abendstunden ermöglicht. Selbst eine Nordausrichtung kann in Kombination mit anderen Himmelsrichtungen wirtschaftlich sein, besonders wenn Module mit guten Schwachlichteigenschaften zum Einsatz kommen.

Der optimale Neigungswinkel liegt in Mitteleuropa bei 30 bis 35 Grad bei Südausrichtung. Flachere Winkel eignen sich besser für sommerliche Erträge, während steilere Neigungen in schneereichen Gebieten vorteilhaft sind, da der Schnee schneller abrutscht.

Verschattung und Temperatur

Verschattung durch Bäume, Schornsteine oder benachbarte Gebäude reduziert die Leistung erheblich und muss bereits bei der Planung berücksichtigt werden. Interessanterweise sinkt der Wirkungsgrad auch bei steigenden Temperaturen, da die Halbleitereigenschaften des Siliziums beeinträchtigt werden. Die Modultemperatur kann bei direkter Sonneneinstrahlung und hohen Außentemperaturen bis zu 85 Grad erreichen. Optimale Bedingungen herrschen daher bei kühlem Wetter mit intensiver Sonneneinstrahlung – etwa an einem sonnigen Märztag.

Standort, Wartung und Alterung

Die Sonneneinstrahlung variiert innerhalb Deutschlands erheblich: Süddeutschland liefert grundsätzlich mehr Energie als der Norden. Solarmodule sind meist wartungsfrei, da natürlicher Regen für die Reinigung ausreicht. Nur bei starker Verschmutzung oder zu geringer Neigung kann eine manuelle Reinigung notwendig werden.

Mit zunehmendem Alter nimmt die Leistung einer Anlage ab. Nach 20 Jahren sollten jedoch noch mindestens 85 Prozent der ursprünglichen Leistung garantiert sein. Durch Stromspeicher oder Netzeinspeisung lässt sich der erzeugte Strom flexibel nutzen, auch wenn die Sonne gerade nicht scheint.

Lebensdauer der Solarzellen

Eine Photovoltaik-Solarzelle arbeitet nicht ewig mit voller Leistung, doch die Lebensdauer moderner Module ist beeindruckend lang. Im Durchschnitt können Sie mit einer Betriebsdauer von etwa 25 bis 30 Jahren rechnen, wobei die tatsächliche Nutzungsdauer häufig sogar diese Schätzungen übertrifft.

Die verschiedenen Zelltechnologien unterscheiden sich deutlich in ihrer Langlebigkeit. Kristalline Solarmodule aus mono- oder polykristallinem Silizium erreichen die höchste Lebensdauer und funktionieren oft über 30 Jahre zuverlässig. Dünnschichtmodule kommen auf etwa 20 bis 25 Jahre Betriebszeit. Organische Solarzellen aus Kunststoffmaterialien sind noch relativ neu auf dem Markt, weshalb belastbare Langzeitdaten bisher fehlen – ihre Lebensdauer wird jedoch als kürzer eingeschätzt.

Ein wichtiger Aspekt ist die sogenannte Degradation, also der allmähliche Leistungsabfall über die Jahre. Erfreulicherweise zeigen Praxiserfahrungen, dass dieser Rückgang meist geringer ausfällt als ursprünglich angenommen. Viele ältere Anlagen produzieren auch nach Jahrzehnten noch einen Großteil ihrer ursprünglichen Leistung.

Mehrere Faktoren beeinflussen, wie lange eine Solarzelle tatsächlich funktioniert:

• Wetterbedingungen am Standort, insbesondere extreme Temperaturschwankungen und Hagel
• Materialqualität der verwendeten Komponenten und Verarbeitung
• Regelmäßige Wartung und Reinigung der Module

Durch sachgemäße Pflege und gelegentliche Kontrollen lässt sich die Lebensdauer einer Photovoltaikanlage deutlich verlängern und die Stromproduktion über viele Jahre auf hohem Niveau halten.

Neue Entwicklungen bei Solarzellen

Die Solartechnologie entwickelt sich rasant weiter, und Forscher arbeiten weltweit an innovativen Konzepten, die unsere Vorstellung von Photovoltaik grundlegend verändern könnten.

Organische Solarzellen stellen einen besonders spannenden Ansatz dar. Anstelle kristalliner Halbleiter wie Silizium nutzen sie organische Kunststoffe mit kohlenstoffbasierten Molekülen. Diese Technologie bringt entscheidende Vorteile mit sich: Die Herstellung ist günstiger und einfacher, und die Zellen lassen sich in flexiblen Formen produzieren. Dadurch können sie an Wände, Fenster, Dächer oder sogar Sonnenschirme geklebt werden. Der noch geringere Wirkungsgrad wird durch die deutlich größere nutzbare Fläche kompensiert.

Perowskit-Solarzellen gelten als vielversprechendste Zukunftstechnologie. Diese Materialklasse bietet enormes Potenzial sowohl beim Wirkungsgrad als auch bei den Produktionskosten. Laborversuche zeigen bereits beeindruckende Ergebnisse, die mit herkömmlichen Siliziumzellen konkurrieren können.

Die Gebäudeintegration von Solarzellen (BIPV – Building Integrated Photovoltaics) gewinnt zunehmend an Bedeutung. Transparente Solarzellen, die in Fensterscheiben eingebaut werden, könnten künftig Gebäudefassaden in Kraftwerke verwandeln, ohne die Ästhetik zu beeinträchtigen.

Auch die Kopplung mit Energiespeichern wird immer wichtiger. Da Solarzellen nur bei Sonnenschein Strom erzeugen, ermöglichen integrierte Batteriesysteme eine gleichmäßigere Energieversorgung.

Ein faszinierendes Forschungsfeld sind Solarautos, die ausschließlich mit Sonnenenergie fahren sollen. Aktuell scheitert dieses Konzept noch am begrenzten Wirkungsgrad, doch mit jeder neuen Zellengeneration rückt diese Vision näher.

Was kostet eine Solarzelle?

Der Preis einer einzelnen Solarzelle hängt maßgeblich vom verwendeten Material und der jeweiligen Zellenart ab. Monokristalline Zellen sind aufgrund ihres aufwendigeren Herstellungsverfahrens teurer als polykristalline oder Dünnschichtzellen, bieten dafür aber einen höheren Wirkungsgrad.

Für die Praxis relevanter ist jedoch der Gesamtpreis einer kompletten Photovoltaikanlage. Für ein durchschnittliches Ein- oder Zweifamilienhaus mit einer Anlagenleistung von 4 bis 10 Kilowattpeak (kWp) sollten Hausbesitzer mit Kosten zwischen 6.000 und 12.000 Euro rechnen. Die benötigte Fläche der Solarmodule beeinflusst dabei den Gesamtpreis erheblich.

Die Investition in eine PV-Anlage lässt sich durch verschiedene Förderprogramme erleichtern. Dazu gehören die staatliche Einspeisevergütung für überschüssigen Strom, der ins öffentliche Netz eingespeist wird, sowie günstige KfW-Kredite mit attraktiven Konditionen für Solaranlagen.

Wer noch unabhängiger vom schwankenden Strompreis werden möchte, kann die Anlage mit einem Energiespeicher kombinieren. Dieser speichert den tagsüber erzeugten Strom für die Nutzung in den Abend- und Nachtstunden. Obwohl die Anschaffung zunächst eine Investition erfordert, amortisiert sich eine Photovoltaikanlage durch die langfristige Ersparnis bei den Stromkosten in der Regel innerhalb weniger Jahre.