Solarzellen: Aufbau, Funktion & Zelltypen (+ häufige Fragen)

Eine Solarzelle wandelt Sonnenlicht in Strom um, indem sie den photovoltaischen Effekt nutzt. Hier ist eine einfache Erklärung:

1. Sonnenlicht trifft auf die Solarzelle: Die Solarzelle besteht aus einem speziellen Material, meistens Silizium, das Licht absorbieren kann.
2. Photonen erzeugen Elektronen: Das Sonnenlicht besteht aus kleinen Teilchen namens Photonen. Wenn diese Photonen auf die Solarzelle treffen, geben sie ihre Energie an die Elektronen im Silizium ab.
3. Elektronenbewegung: Diese zusätzliche Energie ermöglicht es den Elektronen, sich zu bewegen und aus ihren Atombindungen im Silizium freizukommen.
4. Elektrisches Feld trennt die Ladung: Die Solarzelle hat eine Schicht, die ein elektrisches Feld erzeugt. Dieses Feld sorgt dafür, dass die freigesetzten Elektronen in eine bestimmte Richtung fließen.
5. Stromfluss: Wenn die Elektronen durch einen externen Stromkreis zurück zur anderen Seite der Solarzelle fließen, entsteht ein Strom. Dieser Strom kann dann genutzt werden, um elektrische Geräte zu betreiben oder ins Stromnetz eingespeist zu werden.

Eine Solarzelle wandelt Licht durch den photovoltaischen Effekt in Strom um. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, bestehen die Lichtstrahlen aus Photonen, die vom Halbleitermaterial der Solarzelle, meist Silizium, absorbiert werden. Diese Photonen regen Elektronen im Halbleitermaterial an, wodurch sie ihre Atombindungen verlassen und freie Elektronen sowie „Löcher“ (fehlende Elektronen, die positive Ladungen darstellen) entstehen. Die Solarzelle besitzt ein elektrisches Feld, das durch eine Grenzschicht zwischen zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten (p- und n-Schicht) erzeugt wird. Dieses Feld trennt die freien Elektronen und Löcher, indem es die Elektronen zur n-Seite und die Löcher zur p-Seite zieht. Wenn die Elektronen durch einen externen Stromkreis zurück zur p-Seite fließen, entsteht ein elektrischer Strom, der genutzt werden kann, um elektrische Geräte zu betreiben oder ins Stromnetz eingespeist zu werden.

Ja, ein Solarmodul kann überhitzen, was zu einer verringerten Effizienz führt. Ursachen für Überhitzung sind intensive und lang anhaltende Sonneneinstrahlung ohne ausreichende Belüftung, sehr hohe Umgebungstemperaturen und unzureichende Luftzirkulation um das Modul herum. Moderne Solarmodule sind jedoch so konstruiert, dass sie hohen Temperaturen standhalten und auch unter extremen Bedingungen zuverlässig funktionieren.

Die Energiemenge, die zur Herstellung einer Solarzelle benötigt wird, variiert je nach Technologie und Herstellungsprozess. Für kristalline Silizium-Solarzellen, die am häufigsten verwendet werden, liegt der Energieaufwand typischerweise bei etwa 1 bis 4 kWh pro Watt Spitzenleistung (Wp). Dies bedeutet, dass zur Herstellung eines 300-Watt-Solarmoduls zwischen 300 und 1200 kWh Energie benötigt werden.

Die Spannung einer einzelnen Solarzelle beträgt typischerweise etwa 0,5 bis 0,6 Volt unter Standard-Testbedingungen (STC). Diese Spannung kann leicht variieren, abhängig von der Art der Solarzelle und den Umgebungsbedingungen.

Die Stromerzeugung eines Solarmoduls hängt von Größe, Effizienz, Sonnenlichtintensität und Standort ab. Typische Module haben eine Nennleistung von 250 bis 400 Watt unter idealen Bedingungen. In Deutschland kann ein 300-Watt-Modul etwa 1 bis 2 kWh pro Tag und jährlich zwischen 250 und 350 kWh erzeugen. Faktoren wie Verschattung, Ausrichtung und Wetter beeinflussen die Leistung ebenfalls.

Ein Wechselrichter, auch Inverter genannt, wandelt den von Solarzellen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um, der für die meisten Haushaltsgeräte und das Stromnetz benötigt wird. Zuerst wird der Gleichstrom in den Wechselrichter eingespeist. Anschließend passt der Spannungswandler im Wechselrichter die Spannung des Gleichstroms auf das erforderliche Niveau an. Elektronische Schalter, wie Transistoren, wandeln dann den Gleichstrom in eine Wechselstromform, indem sie den Stromfluss schnell ein- und ausschalten, was eine wechselnde Spannung erzeugt. Der erzeugte Wechselstrom wird durch Filter geglättet, um eine saubere Sinuswelle zu produzieren, die für die Stromversorgung von Geräten geeignet ist. Schließlich kann der umgewandelte Wechselstrom entweder direkt für den Eigenverbrauch genutzt oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

Solarzellen sind in Solarmodulen in Reihen- und Parallelschaltungen verschaltet, um die gewünschte Spannung und Stromstärke zu erreichen. Bei der Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der Zellen, während der Strom konstant bleibt, was zur Erhöhung der Spannung dient. In der Parallelschaltung addieren sich die Ströme der Zellen, während die Spannung konstant bleibt, um die Stromstärke zu erhöhen. Oft werden beide Methoden kombiniert, um sowohl Spannung als auch Stromstärke zu optimieren.