Sonnenenergie nutzen 04.08.2023, 13:54 Uhr

Wie funktionieren eigentlich Solarzellen?

Solarzellen sind der elementare Bestandteil jeder Photovoltaikanlage, dort wird aus Sonnenlicht Strom generiert. Doch wie funktioniert das genau? Unter anderem mit dieser Frage beschäftigen wir uns in diesem Ratgeber.

Solarmodule

Jedes Solarmodul besteht aus einer Vielzahl in Reihe geschalteter Solarzellen.

Foto: Panthermedia.net/Destina

Jede Stunde liefert die Sonne mehr Energie, als die gesamte Weltbevölkerung in einem Jahr verbraucht. Und sie wird es noch mindestens fünf Milliarden Jahre tun. Da liegt es nahe, ihr Licht und ihre Wärme zu nutzen. Aber wie funktioniert das eigentlich mit der Sonnenenergie? Wie ist eine Solarzelle aufgebaut? Wie wird aus Licht Solarstrom? Welche Arten von Solarzellen gibt es? Was bringt die Zukunft? Hier kommen die Antworten.

Wie lässt sich Sonnenenergie nutzen?

Wie funktioniert die Gewinnung von Solarenergie? Im Prinzip verhält sich die Sonne wie ein riesiger Kernreaktor, in dem Wasserstoff zu Helium verschmilzt. Dabei entsteht Strahlung, die in Form von elektromagnetischen Wellen auf die Erde trifft. Die aus dieser Sonnenstrahlung resultierende Energie wird als Sonnen- oder Solarenergie bezeichnet.

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Die Nutzung der Sonnenenergie wird durch Solaranlagen ermöglicht, von denen es zwei Haupttypen gibt:

  • Photovoltaik (PV): Photovoltaikanlagen wandeln mit Hilfe von Solarzellen Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um.
  • Solarthermie: Solarthermische Anlagen erwärmen Wasser durch direkte Sonneneinstrahlung. Dieses erwärmte Wasser kann dann zur Warmwasserbereitung und zur Unterstützung von Heizungsanlagen genutzt werden.

In diesem Zusammenhang ist es interessant zu wissen, dass uns die Sonne pro Jahr etwa 15.000-mal mehr Energie zur Verfügung stellt, als die gesamte Menschheit verbraucht. Diese Tatsache unterstreicht die zukünftige Bedeutung der Solarenergie für unsere Energieversorgung. Besonders hervorzuheben ist die Photovoltaik, die direktes Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln kann. Das führt uns schließlich zur Solarzelle als wichtigster Bestandteil jeder PV-Anlage.

Was ist eine Solarzelle?

Die zentrale elektronische Komponente eines Solarmoduls ist die Solarzelle. Ein durchschnittliches Modul besteht aus etwa 60 Zellen, wobei es auch kleinere und wesentlich größere Varianten gibt. Das Besondere an Solarzellen ist ihre photoelektrische Aktivität. Dabei wird die Lichtenergie der Sonne innerhalb der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt. Dieser Prozess führt zu einer emissions- und abfallfreien Stromerzeugung durch Sonneneinstrahlung.

Solarzellen bestehen in der Regel aus Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Materialien, die zwischen elektrischen Leitern und Isolatoren liegen und deren Eigenschaften durch die gezielte Zugabe von chemischen Elementen gesteuert werden können. Die Mehrzahl der heute eingesetzten Solarzellen verwendet Silizium als Halbleitermaterial. Neben Silizium gewinnen aber auch andere Verbindungen wie Cadmiumtellurid (CdTe) oder Legierungen aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen zunehmend an Bedeutung für die solare Stromerzeugung.

Geschichte der Solarzellen

1983 wurde in Deutschland das erste Solarkraftwerk in Betrieb genommen. Dies war nicht nur national, sondern auch international eine der ersten Pioniertaten, wenn auch nicht die erste. Bereits 1977 wurde in Frankreich das erste Solarkraftwerk gebaut. Photovoltaikanlagen auf Hausdächern gibt es vermehrt seit den 1990er Jahren. Auch wenn wir Photovoltaik als moderne Technik betrachten, wurde der Grundstein dafür bereits wesentlich früher gelegt

Die Erkenntnis, dass Licht in elektrischen Strom umgewandelt werden kann, geht auf das Jahr 1839 zurück. Damals machte der Physiker Alexandre Edmond Becquerel eine bahnbrechende Entdeckung, die den Grundstein für die heutige Photovoltaik-Technologie legte. In einem Experiment stellte er fest, dass bei Lichteinfall mehr Strom erzeugt wird als im Dunkeln. Diese Entdeckung, die später als photoelektrischer Effekt bekannt wurde, wurde 1905 von Albert Einstein erklärt, der dafür 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Die theoretischen Grundlagen für Solarzellen sind also schon lange vorhanden. Die erste Silizium-Solarzelle wurde jedoch erst 1954 von den Bell Laboratories, der Forschungsabteilung der Telefongesellschaft AT&T, vorgestellt. Diese Zelle erreichte nur einen Wirkungsgrad von 4 Prozent. Zum Vergleich: Moderne monokristalline Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 20 bis 22 Prozent.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt, wie effizient sie die im einfallenden Licht enthaltene Energie in elektrische Energie umwandelt. Ein Wirkungsgrad von 20 Prozent bedeutet, dass ein Fünftel der eingestrahlten Energie in Strom umgewandelt wird.

Raumfahrt entwickelt Solarzellen weiter

Die Entwicklung der Solarzellen wurde durch die Raumfahrtindustrie entscheidend vorangetrieben. Schließlich gibt es im Weltraum keine Steckdosen. Daher ist eine unabhängige Energiequelle notwendig, um elektrische Geräte auf Sonden, Satelliten und anderen Raumfahrzeugen zu betreiben. Solarzellen haben sich hier als ideale Lösung erwiesen.

Doch nicht nur im Weltall, auch auf der Erde hat sich die Solarzelle als äußerst nützlich erwiesen. Bevor sie zu einem Eckpfeiler der Energiewende wurde, fand sie bereits in kleinen elektronischen Geräten Anwendung. Ein berühmtes Beispiel ist sicherlich der Taschenrechner mit integrierten Solarzellen.

Mit steigenden Wirkungsgraden wurde es möglich, auch im großen Stil Strom aus Sonnenlicht zu gewinnen. Die 2,2 Millionen Solaranlagen allein in Deutschland im Jahr 2022 verdeutlichen, wie die Solarzelle den Weg vom Weltraum in die breite Anwendung auf der Erde gefunden hat.

Aufbau Siliziumzelle

Eine Silizium-Solarzelle besteht aus verschiedenen Schichten.

Foto: ingenieur.de

Wie sind Solarzellen aufgebaut?

Wie bereits erwähnt, können Solarzellen aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen. Da Silizium jedoch nach wie vor das mit Abstand am häufigsten verwendete Material ist, beschränken wir uns hier auf die Beschreibung des Aufbaus einer Silizium-Solarzelle.

Eine Silizium-Solarzelle besteht aus zwei charakteristischen Schichten. Die obere Schicht enthält nicht nur Silizium, sondern auch eine Beimischung von Phosphor. Da Phosphor fünf Elektronen in einer Bindung nutzen kann, Silizium dagegen nur vier, hat jedes Phosphoratom ein überschüssiges Elektron. Diese Elektronen können sich frei bewegen, weshalb diese Schicht als n-Schicht bezeichnet wird. Die untere Siliziumschicht, die sogenannte p-Schicht, enthält in der Regel etwas Bor. Da Bor nur über drei Elektronen verfügt, die eine Bindung mit dem Silizium eingehen können, entstehen in dieser Schicht so genannte Elektronenlöcher.

Jede der Siliziumschichten ist für sich genommen elektrisch neutral. Die entscheidende Komponente liegt nun im Übergangsbereich zwischen der n-Schicht und der p-Schicht. Direkt an dieser Grenze wandern freie Elektronen von der n-Schicht in die p-Schicht und füllen dort die Elektronenlöcher auf. In einem schmalen Bereich verlieren die beiden Schichten ihre elektrische Neutralität – es entsteht ein elektrisches Feld.

So wird aus Licht Solarstrom

Wenn Sonnenlicht auf die Oberfläche der Solarzelle trifft, werden die Lichtstrahlen dazu angeregt, Elektronen aus den Bindungen zwischen den Siliziumatomen zu lösen. Diese Elektronen werden freigesetzt und können sich innerhalb der Solarzelle bewegen. Die an der Grenzschicht zwischen den Schichten freigesetzten Elektronen werden durch das elektrische Feld zur n-Schicht bewegt. Dadurch wird die n-Schicht negativ und die p-Schicht positiv geladen.

Diese polarisierte Ladungsdifferenz zwischen den beiden Schichten erzeugt eine Spannung, die umso höher ist, je intensiver das Sonnenlicht ist. Durch die Verbindung der beiden Schichten über einen Stromkreis können die überschüssigen Elektronen von der n-Schicht zur p-Schicht zurückwandern, wodurch ein Gleichstrom entsteht, der für praktische Anwendungen genutzt werden kann.

Um solche Solarzellen tatsächlich zur Stromerzeugung verwenden zu können, sind zusätzliche Elemente erforderlich. Die Solarzellen müssen in einem Rahmen montiert und mit einer Glasabdeckung vor Witterungseinflüssen geschützt werden. Eine Hauptleitung sammelt die Ströme der einzelnen Solarzellen. Schließlich muss der erzeugte Gleichstrom mit Hilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt werden, damit er in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann.

Funktionsweise Solarzelle

Funktionsweise Solarzelle: Bei Sonnenschein wandern die Elektronen und erzeugen Strom.

Foto: ingenieur.de

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Eine einzelne Solarzelle kann nicht das ganze Haus mit Energie versorgen. Deshalb werden mehrere Solarzellen zu einem Solarmodul zusammengeschaltet. Je nach Art der verwendeten Solarzellen unterscheiden sich Leistung und Anschaffungskosten. Für Privathaushalte sind vor allem fünf verschiedene Typen von Solarzellen interessant:

Typ #1: Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen bestehen aus reinem Silizium und zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Sie sind aufwendiger in der Herstellung und daher auch teurer in der Anschaffung. Diese Zellen eignen sich besonders für Regionen mit intensiver direkter Sonneneinstrahlung, wie es bei Lichtblick der Fall ist.

Typ #2: Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen bestehen aus vielen Siliziumkristallen unterschiedlicher Größe. Ihr Herstellungsprozess ist weniger aufwendig als bei monokristallinen Zellen, was sich in niedrigeren Kosten niederschlägt. Ihr Wirkungsgrad ist aufgrund von Verlusten an den Kristallgrenzen etwas geringer.

Typ #3: Dünnschicht-Solarzellen

Dünnschichtsolarzellen haben eine amorphe, nichtkristalline Struktur. Das Halbleitermaterial, meist Silizium, wird in dünnen Schichten auf ein Trägermaterial aufgebracht. Dieses Verfahren ist weniger ressourcenintensiv und ermöglicht niedrigere Kosten, allerdings ist der Wirkungsgrad etwas geringer.

 Typ #4: Organische Solarzellen

Organische Solarzellen basieren auf organischen Verbindungen und zählen ebenfalls zu den Dünnschichtsolarzellen. Sie zeichnen sich durch geringe Herstellungs- und Entsorgungskosten sowie Flexibilität in Form und Anwendung aus. Sie können auch in Gebieten mit weniger optimalen Lichtverhältnissen eingesetzt werden, obwohl ihr Wirkungsgrad noch verbesserungsfähig ist.

 Typ #5: PERC-Solarzellen

PERC-Solarzellen ähneln monokristallinen Solarzellen, haben aber eine zusätzliche Reflexionsschicht auf der Rückseite. Dadurch können langwellige Lichtstrahlen besser genutzt werden, was den Wirkungsgrad vor allem in den Morgen- und Abendstunden erhöht. Allerdings verlieren sie schneller an Leistung.

Neue Entwicklungen bei Solarzellen

Wie bereits erwähnt, haben heutige monokristalline Solarzellen in der Praxis einen Wirkungsgrad von etwa 20 bis 22 Prozent. Damit ist das Potenzial der Photovoltaik aber noch lange nicht ausgeschöpft: Ein vielversprechender Fortschritt sind Tandemsolarzellen, bei denen mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien übereinander angeordnet sind. Jede dieser Schichten nutzt einen anderen Teil des Lichtspektrums zur Stromerzeugung. Mit dieser Technik wurden bereits Wirkungsgrade von über 40 Prozent erreicht.

Ein weiterer vielversprechender Ansatz sind Perowskit-Solarzellen, die in den nächsten Jahren auf den Markt kommen könnten. Diese Zellen sind kostengünstig in der Herstellung und haben einen hohen Wirkungsgrad. Allerdings sind sie sehr empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit und Hitze beschleunigen die Alterung. Fortschrittliche Schutzmaßnahmen sind notwendig, um diesen Herausforderungen zu begegnen.

Solaranlagen werden immer günstiger

Die fortschreitende technologische Entwicklung von Solarzellen hat nicht nur zu höheren Wirkungsgraden, sondern auch zu einer deutlichen Kostensenkung von Solaranlagen geführt. Im Jahr 2012 lag der durchschnittliche Preis pro Kilowattpeak (kWp) noch bei rund 2.300 Euro. Innerhalb von etwa zehn Jahren (bis 2022) ist dieser Preis auf knapp 1.300 Euro pro kWp gesunken. In jüngster Zeit hat sich diese Entwicklung etwas verlangsamt. Dies ist zum einen auf die starke Nachfrage nach Photovoltaikanlagen zurückzuführen. Zum anderen ist der technologische Fortschritt in der Produktion geringer als in früheren Jahren, was zu einer gewissen Stagnation der Herstellungskosten geführt hat.

Seit 2006 sind die Preise für Photovoltaikanlagen um fast 80 Prozent gesunken, seit 2013 um durchschnittlich 5,5 Prozent pro Jahr. Eine genaue Prognose der zukünftigen Preisentwicklung ist jedoch schwierig. Die Nachfrage nach Photovoltaik ist weiterhin hoch, was dazu führt, dass sowohl deutsche als auch internationale Unternehmen ihre Produktionskapazitäten ausbauen. Zudem wird intensiv in die Forschung und Entwicklung von Solarzellen und Stromspeichern investiert.

Auch die Preise für Solarmodule sind in den letzten Jahren gesunken. Im Jahr 2016 kostete ein Modul mittlerer Qualität noch rund 50 Cent pro Watt peak (Wp). 2022 lag der Preis bei rund 30 Cent pro Wp, was einer Preissenkung von rund 40 Prozent entspricht. Da Solarmodule rund 25 Prozent der Gesamtkosten einer Photovoltaikanlage ausmachen, führen diese Preissenkungen zu einer spürbaren Reduzierung der Gesamtkosten für die Installation von Solaranlagen.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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