Aufbau Solarzelle: Wie ist eine Solarzelle aufgebaut und wie funktioniert sie?
Eine Solarzelle ist die kleinste Einheit innerhalb eines Photovoltaikmoduls. Die meisten heute eingesetzten Solarzellen bestehen aus Silizium und enthalten mehrere Schichten, die zusammenwirken, um elektrische Energie in Form von Gleichstrom (DC) umzuwandeln. Dieser Leitfaden erklärt den Aufbau einer Solarzelle, die Funktionsweise des p-n-Übergangs und die Nutzung des erzeugten Stroms in einer hauseigenen PV-Anlage.
Das Wichtigste in Kürze
Schichtaufbau: Eine typische kristalline Siliziumzelle kombiniert unterschiedlich dotierte Siliziumbereiche, metallische Kontakte und eine Antireflexbeschichtung. Im fertigen Modul kommen zusätzliche Schutz- und Verkapselungsschichten hinzu.
Der photovoltaische Effekt: Photonen übertragen ihre Energie auf Elektronen im Halbleiter und erzeugen freie Ladungsträger. Das elektrische Feld im Bereich des p-n-Übergangs unterstützt deren Trennung und trägt zur Erzeugung einer elektrischen Spannung bei.
Zelltechnologie zählt: Monokristallines Silizium dominiert den heutigen PV-Markt, während Dünnschichttechnologien wie CdTe und CIGS für bestimmte Anwendungen weiterhin relevant sind.
Praxisnahe Faktoren: Einstrahlung, Zelltemperatur, Teilverschattung, Ausrichtung und Neigung sowie die natürliche Degradation beeinflussen den Ertrag.
Eigenverbrauch optimieren: Wer eine PV-Anlage mit einem Energiemanagementsystem und einem Heimspeicher kombiniert, kann einen größeren Teil des erzeugten Solarstroms zeitversetzt im Haushalt nutzen.
Aufbau Solarzelle: Woraus besteht sie?
Eine typische Silizium-Solarzelle besteht aus unterschiedlich dotierten Halbleiterbereichen, elektrischen Kontakten und einer Antireflexbeschichtung. Im fertigen Solarmodul werden die Zellen zudem durch Frontglas, Verkapselungsmaterial und eine Rückseitenfolie bzw. ein Rückseitenglas geschützt.
Silizium-Halbleiterschichten
Silizium bildet den Kern der meisten kristallinen Solarzellen für Wohngebäude. Reines kristallines Silizium ist ein Halbleiter, dessen elektrische Eigenschaften durch Dotierung mit Fremdatomen verändert werden können:
Die n-Schicht: Häufig mit Phosphor dotiert, der zusätzliche freie Elektronen bereitstellt und damit die Elektronenkonzentration im Silizium erhöht.
Die p-Schicht: Typischerweise mit Bor dotiert; dabei entstehen sogenannte Löcher als positive Ladungsträger.
Der p-n-Übergang: Dort, wo unterschiedlich dotierte Bereiche aufeinandertreffen, entsteht eine Raumladungszone mit einem eingebauten elektrischen Feld. Dieses Feld unterstützt die Trennung der durch Licht erzeugten Ladungsträger und trägt so zum Aufbau der elektrischen Spannung bei.
Metallkontakte und Antireflexbeschichtung
Unbeschichtete Siliziumoberflächen reflektieren einen erheblichen Teil des einfallenden Sonnenlichts. Um optische Verluste zu reduzieren, wird daher eine Antireflexbeschichtung aufgebracht, beispielsweise auf Basis von Siliziumnitrid. Je nach Zelltechnologie, Oberflächenstruktur und Beschichtung kann die Solarzelle dadurch auch optisch anders erscheinen.
Auf der Vorderseite befindet sich ein feines Gitter aus leitfähigen Metallkontakten, häufig mit schmalen Kontaktfingern und breiteren Busbars. Diese sammeln die Ladungsträger und sollen gleichzeitig die Abschattung der aktiven Zellfläche möglichst gering halten. Auf der Rückseite befinden sich ebenfalls elektrische Kontakte, über die der Strom aus der Zelle abgeführt wird.
Schutzschichten
Ein freiliegender Silizium-Wafer ist mechanisch empfindlich. Für den Einsatz im Freien werden die Zellen daher zwischen Verkapselungsmaterialien wie EVA oder POE laminiert, mit Frontglas geschützt und je nach Modulbauweise durch eine Polymer-Rückseitenfolie oder zusätzliches Rückseitenglas ergänzt. Dadurch wird die Zelle vor Feuchtigkeit, mechanischen Belastungen und Umwelteinflüssen geschützt.
Aufbau Solarzelle: Wie funktioniert eine Solarzelle?
Eine Solarzelle wandelt Sonnenlicht mithilfe des photovoltaischen Effekts direkt in elektrische Energie in Form von Gleichstrom. Die wesentlichen Vorgänge finden im Halbleitermaterial und insbesondere am p-n-Übergang statt.
Sonnenlicht aktiviert Elektronen in der Solarzelle
Sonnenlicht besteht aus Energiepaketen, den sogenannten Photonen. Treffen diese Photonen auf das Silizium, können sie ihre Energie auf Elektronen übertragen. Ist die Energie eines Photons ausreichend, um die Bandlücke des Halbleiters zu überwinden, entstehen ein freies Elektron und ein entsprechendes Loch.
Die Solarzelle erzeugt Gleichstrom
Ohne Ladungstrennung können Elektronen und Löcher rekombinieren und die aufgenommene Energie teilweise als Wärme abgeben. Genau hier wird der p-n-Übergang entscheidend. Das dort entstehende elektrische Feld unterstützt die Trennung der Ladungsträger und trägt dazu bei, eine elektrische Spannung über der Solarzelle aufzubauen. Wie sich die elektrische Leistung dabei einordnen lässt, erklärt der Beitrag Was ist Watt?.
Wie der Strom aus der Solarzelle fließt
Durch die räumliche Trennung der Ladungsträger entsteht über der Solarzelle eine elektrische Potenzialdifferenz. Sobald eine externe Last oder ein geschlossener Stromkreis den Front- und Rückkontakt verbindet, fließen Elektronen durch den äußeren Stromkreis. Dadurch kann die Solarzelle Gleichstrom (DC) bereitstellen, der anschließend beispielsweise einem Wechselrichter zugeführt wird.
Welche Arten von Solarzellen werden üblicherweise verwendet?
In privaten PV-Anlagen dominieren heute monokristalline Siliziumzellen. Polykristalline Siliziumzellen sind technologisch weiterhin relevant, spielen im heutigen Neuanlagenmarkt jedoch eine deutlich geringere Rolle; Dünnschichttechnologien wie CdTe und CIGS werden vor allem für bestimmte Anwendungen eingesetzt.
Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Zellen werden aus Einkristall-Siliziumwafern hergestellt, die häufig aus zylindrischen Siliziumingots geschnitten werden. Diese Ingots können beispielsweise mit dem Czochralski-Verfahren hergestellt werden. Monokristalline Zellen weisen eine einheitliche Kristallstruktur auf und ermöglichen hohe Wirkungsgrade bei vergleichsweise geringem Flächenbedarf.
Polykristalline Solarzellen
Bei polykristallinen Solarzellen wird das Silizium zu einem Block erstarrt, der aus vielen Kristallkörnern besteht. Die dadurch entstehenden Korngrenzen können den Ladungstransport beeinflussen und führen im Vergleich zu monokristallinen Zellen in der Regel zu geringeren Wirkungsgraden. Optisch zeigen polykristalline Module häufig eine bläuliche, kristalline Struktur. Im heutigen Markt für neue PV-Anlagen spielen sie eine deutlich geringere Rolle als monokristalline Technologien.
Dünnschicht-Solarzellen
Dünnschichtmodule verwenden keine klassischen kristallinen Siliziumwafer als aktive Schicht, sondern nutzen dünne photovoltaische Halbleiterschichten wie Cadmiumtellurid (CdTe) oder CIGS, die auf Substrate wie Glas, Kunststoff oder Metall aufgebracht werden. Ihre Wirkungsgrade liegen häufig unter denen kristalliner Siliziummodule, wobei Dünnschichttechnologien je nach Material und Bauweise Vorteile bei Gewicht, Formgebung oder bestimmten Einsatzbedingungen bieten können.
Vergleich: Gängige Solarzellentypen
| Merkmal | Monokristallin | Polykristallin | Dünnschicht (CdTe / CIGS) |
|---|---|---|---|
| Wirkungsgrad | Hoch; aktuelle kommerzielle c-Si-Module reichen je nach Produkt deutlich über 20 % | In der Regel niedriger als monokristalline Module | Je nach Technologie meist niedriger als kristalline Siliziummodule |
| Optisches Erscheinungsbild | Häufig einheitlich dunkel bis schwarz | Häufig bläulich mit sichtbarer Kristallstruktur | Je nach Technologie meist gleichmäßig dunkel |
| Flächenbedarf | Vergleichsweise gering bei hoher Leistung pro Fläche | Höher als bei modernen monokristallinen Modulen | Häufig höher bei gleicher Nennleistung |
| Temperaturtoleranz | Temperaturabhängige Leistungseinbußen; abhängig von der Zelltechnologie | Ebenfalls temperaturabhängig | Kann je nach Dünnschichttechnologie einen günstigeren Temperaturkoeffizienten aufweisen |
| Typische Einsatzbereiche | Dächer und andere Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf pro Fläche | Heute vor allem bestehende bzw. ältere Anlagen | Bestimmte Fassaden-, Freiflächen- und Spezialanwendungen |
Was beeinflusst die Leistung einer Solarzelle?
Die Leistung einer Solarzelle hängt nicht nur von ihrem Nennwirkungsgrad ab. Einstrahlung, Verschattung, Temperatur, Zelltechnologie und Alterung beeinflussen gemeinsam, wie viel Strom sie unter realen Bedingungen erzeugt. Für eine konkretere Einschätzung des möglichen Solarertrags kann ein PV-Ertragsrechner verschiedene Einflussfaktoren berücksichtigen.
Sonnenlicht und Verschattung
Die Leistung von Solarzellen hängt wesentlich von der verfügbaren Einstrahlung ab. Direkte Sonneneinstrahlung kann hohe Erträge ermöglichen, doch auch bei bedecktem Himmel steht diffuse Strahlung zur Verfügung. Da mehrere Zellen innerhalb eines Moduls elektrisch miteinander verschaltet sind, kann Teilverschattung die Leistung eines Moduls oder eines Teilstrings deutlich reduzieren. Bypass-Dioden können die Auswirkungen bestimmter Verschattungssituationen begrenzen, während Mikrowechselrichter die Leistung einzelner Module unabhängig voneinander verarbeiten können.
Temperatur
Mit steigender Zelltemperatur sinkt bei kristallinen Siliziumzellen in der Regel die elektrische Leistung. Der Leistungstemperaturkoeffizient liegt bei kristallinen PV-Technologien typischerweise im Bereich von etwa −0,35 %/K und kann bei hocheffizienten Technologien auch niedriger ausfallen. Die Nennleistung von PV-Modulen wird unter Standard-Testbedingungen mit einer Zelltemperatur von 25 °C angegeben. Im realen Betrieb können höhere Zelltemperaturen daher zu entsprechenden Leistungseinbußen führen.
Zelltyp und Wirkungsgrad
Die Zelltechnologie beeinflusst, wie effizient ein Teil der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Fortschrittliche Zellarchitekturen wie TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) und HJT (Heterojunction Technology) nutzen unter anderem verbesserte Passivierungs- und Kontaktstrukturen, um Rekombinationsverluste zu reduzieren und hohe Wirkungsgrade zu ermöglichen. Hocheffiziente Siliziumzellen können heute Wirkungsgrade von über 24 % erreichen.
Alterung und Degradation
Witterungseinflüsse und andere Alterungsmechanismen führen dazu, dass PV-Module im Laufe der Zeit einen Teil ihrer ursprünglichen Leistung verlieren. Die jährliche Degradationsrate hängt unter anderem von Zelltechnologie, Moduldesign und Betriebsbedingungen ab.
Eine umfangreiche NREL-Auswertung historischer Daten ermittelte einen Median von etwa 0,5 % pro Jahr, wobei die untersuchten Degradationsraten deutlich streuten. Der tatsächliche Wert eines modernen Moduls kann daher davon abweichen. Moderne Siliziummodule sind jedoch auf eine lange Betriebsdauer ausgelegt und werden häufig mit langfristigen Leistungsgarantien angeboten.
Wie versorgt Solarstrom aus Solarzellen Ihr Zuhause?
Die Solarzellen einer PV-Anlage erzeugen zunächst Gleichstrom (DC). Damit diese Energie ein Induktionskochfeld betreiben, ein Elektrofahrzeug laden oder Haushaltselektronik versorgen kann, muss sie in eine Solaranlage mit Speicher und das häusliche Stromnetz integriert werden.
Solar-Gleichstrom in Haushalts-Wechselstrom umwandeln
Solarzellen erzeugen Gleichstrom (DC), während das öffentliche Niederspannungsnetz in Deutschland Haushalte mit Wechselstrom (AC) versorgt. In einem typischen einphasigen Haushaltsstromkreis beträgt die Nennspannung 230 V bei 50 Hz. String-Wechselrichter oder Hybrid-Wechselrichter wandeln den Gleichstrom der PV-Anlage in netzkonformen Wechselstrom um und speisen ihn in das Hausnetz ein.
Solarstrom direkt im Haushalt nutzen
Wird ein Gerät während der Solarstromerzeugung betrieben, kann ein Teil des benötigten Stroms direkt aus der PV-Anlage stammen. Der Betrieb geeigneter Verbraucher in Zeiten hoher Solarerzeugung kann den Eigenverbrauch erhöhen und den Bezug von Netzstrom reduzieren.
Solarerzeugung und Stromverbrauch im Haushalt überwachen
Zur Optimierung des Eigenverbrauchs ist Transparenz darüber hilfreich, wie viel Energie eine PV-Anlage erzeugt und wie viel der Haushalt in Echtzeit verbraucht.
Intelligente Energiemanagement-Displays können die relevanten Energiedaten zentral darstellen. So zeigt etwa EcoFlow PowerInsight 2 die PV-Erzeugung, den Haushaltsverbrauch und den Batterieladestand in Echtzeit auf einer zentralen Oberfläche an. Die Übersicht über die Energieflüsse kann dabei helfen, Verbrauchsspitzen zu erkennen und geeignete Verbraucher gezielt in Zeiten hoher PV-Erzeugung zu nutzen.
Überschüssige Solarenergie für später speichern
Die Solarerzeugung erreicht ihren Höhepunkt naturgemäß um die Mittagszeit, während die Energienachfrage im Haushalt eher am frühen Morgen und am späten Abend ansteigt. Ohne Speicher vor Ort fließt nicht verbrauchter Nachmittagsstrom für eine Einspeisevergütung ins öffentliche Netz. Eine EcoFlow Solarbatterie kann dabei helfen, den zeitlichen Unterschied zwischen Solarstromerzeugung und Stromverbrauch im Haushalt auszugleichen.
Speicherlösungen wie EcoFlow OCEAN 2 können überschüssigen Solarstrom aufnehmen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder für den Haushalt bereitstellen. So lässt sich selbst erzeugter Solarstrom beispielsweise auch am Abend oder bei geringer PV-Erzeugung nutzen.
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Fazit
Eine Solarzelle nutzt Halbleitermaterial und einen p-n-Übergang, um Sonnenlicht mithilfe des photovoltaischen Effekts in elektrische Energie umzuwandeln und Gleichstrom bereitzustellen. In modernen PV-Anlagen sind monokristalline Siliziumzellen beziehungsweise daraus aufgebaute Module weit verbreitet, da sie hohe Wirkungsgrade mit einer vergleichsweise hohen Leistung pro Fläche verbinden.
Der erzeugte Gleichstrom wird anschließend von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und kann im Haushalt genutzt oder ins Netz eingespeist werden. Mit einem Heimspeicher lässt sich überschüssiger Solarstrom zudem für eine spätere Nutzung speichern.
FAQs
Ist eine Solarzelle dasselbe wie ein Solarmodul?
Nein. Eine Solarzelle ist die einzelne photovoltaische Einheit, die elektrische Energie erzeugt, während ein Solarmodul aus mehreren miteinander verbundenen Solarzellen sowie weiteren Komponenten wie Glas, Verkapselungsmaterial und Rahmen besteht. Man kann sich die Zelle als einzelnen Ziegelstein vorstellen und das Modul als fertige Wand.
Wie viele Solarzellen stecken in einem Solarmodul?
Die Anzahl der Solarzellen beziehungsweise Halbzellen hängt vom Moduldesign ab. Moderne PV- Module für den Heimbereich verwenden häufig 108 oder 120 Halbzellen; auch andere Zellkonfigurationen sind möglich. Halbzellendesigns können unter anderem elektrische Verluste reduzieren und das Verhalten des Moduls bei Teilverschattung verbessern.
Wie lange halten Solarzellen?
PV-Module können 25 Jahre oder länger betrieben werden. Ihre Leistung nimmt im Laufe der Zeit jedoch in der Regel allmählich ab. Viele Hersteller geben für moderne Module Leistungsgarantien über 25 Jahre oder länger an und garantieren dabei je nach Produkt einen bestimmten Mindestanteil der ursprünglichen Nennleistung. Die konkreten Garantiezeiten unterscheiden sich je nach Hersteller und Modul.
Wie viel Solarstrom lässt sich an einem bewölkten Tag gewinnen?
Auch bei dichter Bewölkung kann eine PV-Anlage weiterhin Strom erzeugen, da diffuse Sonnenstrahlung zur Verfügung steht. Die tatsächliche Leistung kann jedoch stark schwanken und hängt unter anderem von Bewölkungsgrad, Standort, Sonnenstand, Ausrichtung und der verwendeten PV-Technologie ab. Ein pauschaler Prozentsatz der Nennleistung lässt sich daher nicht für alle Anlagen angeben.
Was passiert mit ungenutzter Solarenergie?
Nicht unmittelbar benötigter Solarstrom kann in einem Heimspeicher gespeichert, ins öffentliche Netz eingespeist oder in bestimmten Situationen abgeregelt werden. Welche Option tatsächlich genutzt wird, hängt von der Anlage, der Netzsituation und den geltenden Rahmenbedingungen ab. Ein Heimspeicher kann den Eigenverbrauch erhöhen und so Energiekosten senken, indem gespeicherter Solarstrom zu einem späteren Zeitpunkt genutzt wird.
