Solarzellen - Aufbau, Funktion und Wirkungsgrad
Solarzellen zählen zu den wichtigsten Bestandteilen einer Photovoltaikanlage. Solarmodule bestehen meist aus 60 bis 72 Solarzellen und sind für die Umwandlung des Sonnenlichts in elektrischen Strom zuständig. In diesem Blogbeitrag widmen wir uns dem Aufbau, der Funktion und dem Wirkungsgrad von Solarzellen. Wir betrachten Unterschiede zwischen monokristallinen und polykristallinen Solarzellen und nennen Vor- und Nachteile der verschiedenen Optionen.
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Letztes Update: 5. Juli 2023Alles zu Aufbau, Funktion und Wirkungsgrad
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Herstellung und Aufbau einer Solarzelle
Eine Solarzelle besteht aus verschiedenen Komponenten. Aber egal ob monokristalline oder polykristalline Solarzellen, sie haben immer den gleichen Aufbau: Sie bestehen aus dem Wafer und den Metallkontakten an Vorder- und Rückseite. Sie unterscheiden sich einzig und allein in der Art des Wafers (monokristallin vs. polykristallin), der in den Solarzellen verbaut wird. Monokristalline und polykristalline Wafer entstehen durch die Verwendung von unterschiedlichem Silizium und die Anwendung verschiedener Herstellungsprozesse.
Monokristalline Solarzellen, die in monokristallinen Solarmodulen verwendet werden, bestehen aus einer einzigen Kristallstruktur. Der Herstellungsprozess ist komplex und erfordert eine präzise Kontrolle der Temperatur und anderer Faktoren, um die gewünschte Kristallstruktur zu erreichen. In dem chemischen Herstellungsverfahren – dem sogenannten Czochralski-Verfahren – wird aus monokristallinem Silizium (= Halbleiterelement) ein Einkristall künstlich gezüchtet, der aus einem einzigen Stück besteht. Eine schwarze und gleichmäßige Färbung ist charakteristisch für monokristalline Solarzellen.
Polykristalline Solarzellen, die in polykristallinen Solarmodulen verbaut werden, bestehen aus mehreren Kristallstrukturen. Die Herstellung erfolgt durch das Gießen und schichtweise Abkühlen des polykristallinen Siliziums. Hierzu können zwei verschiedene Verfahren verwendet werden - das Blockgussverfahren oder das Bridgeman-Verfahren. Polykristalline Zellen bestehen aus mehreren Schichten mit unregelmäßig ausgerichteten Kristallen. Dies führt zu einer charakteristischen blauen Farbe und einem rauen Erscheinungsbild. Das Herstellungsverfahren ist schneller und kostengünstiger als die Produktion der Einkristalle für monokristalline Solarzellen.
In den weiteren Herstellungsschritten unterscheiden sich die monokristallinen und polykristallinen Solarzellen nicht. Nachdem die Kristalle ausgehärtet sind, nennt man sie auch Ingot oder Halbleiter-Barren. Der Ingot wird im Anschluss in sehr dünne Scheiben gesägt und in Form geschnitten – die sogenannten “Wafer”. Um die Leitfähigkeit des Siliziums zu erhöhen, werden Fremdatome in die Siliziumwafer eingebracht. Diesen Prozess nennt man Dotierung und man unterscheidet zwischen der n-Dotierung und p-Dotierung.
Bevor die Solarzelle eine Solarzelle genannt werden darf, muss der Wafer allerdings noch weiterverarbeitet werden. Auf der Vorderseite der Zelle werden Metallkontakte angebracht, die den erzeugten Strom ableiten. Auf der Rückseite wird eine weitere Metallschicht angebracht, um den Stromkreis zu schließen. Manchmal hilft eine Antireflexionsbeschichtung auf der Vorderseite dabei, den Lichteinfall zu optimieren.
Funktion einer Solarzelle
Die Funktion von Solarzellen beruht auf dem photovoltaischen Effekt. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden die Photonen absorbiert und erzeugen Elektron-Loch-Paare im Siliziummaterial. Die Elektronen werden von den dotierten Schichten angezogen und fließen über die Metallkontakte ab, um elektrischen Strom zu erzeugen. Dieser Strom (=Gleichstrom) wird mit Hilfe des Wechselrichters konvertiert und kann dann als Wechselstrom genutzt oder in Batterien gespeichert werden. Dabei funktionieren monokristalline und polykristalline Solarzellen gleich. Sie unterscheiden sich lediglich in ihrem Wirkungsgrad auf Grund ihrer unterschiedlichen Kristallstrukturen.
Je nach Größe und Anordnung der Solarzellen können sie unterschiedliche Leistungen erbringen. Die Solarzellen können entweder in Reihe oder parallel geschaltet sein.
Für alle, die es ganz genau wissen wollen:
Um die Funktion einer Solarzelle in Gänze zu verstehen, ist es wichtig, deren Aufbau zu kennen. Wie wir bereits festgehalten haben, besteht die Solarzelle aus einer p-dotierten Schicht (positive Ladungsträger) und einer n-dotierten Schicht (negative Ladungsträger). An der Grenzfläche zwischen diesen Schichten entsteht eine sogenannte p-n-Übergangszone.
Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, treffen Photonen ( = Lichtteilchen) auf die Oberfläche der Zelle. Die Photonen übertragen dabei Energie auf die Elektronen im Halbleitermaterial ( = Siliziumwafer). Durch diese Energieübertragung werden Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband angehoben. Dadurch entstehen freie Elektronen und Löcher.
Aufgrund der p-n-Übergangszone werden die freien Elektronen zur n-dotierten Seite der Solarzelle und die Löcher zur p-dotierten Seite bewegt. Dies erzeugt ein elektrisches Feld innerhalb der Solarzelle. Wenn nun ein externer Stromkreis angeschlossen wird, können die freien Elektronen und Löcher über diesen Stromkreis fließen und dabei elektrische Arbeit verrichten.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie effizient sie Sonnenenergie (= eingestrahlte Lichtleistung) in elektrische Energie (= elektrische Leistung) umwandeln kann. Der Wirkungsgrad wird in Prozent ausgedrückt und hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. dem Material der Solarzelle, der Qualität des p-n-Übergangs, dem Spektrum des einfallenden Lichts und der Temperatur.
Wirkungsgrad % = Sonneneinstrahlung/elektrische Leistung
Traditionelle kristalline Silizium-Solarzellen, die am häufigsten in der Photovoltaik eingesetzt werden, haben in der Regel einen Wirkungsgrad zwischen 14% und 25%. Das bedeutet, dass sie etwa 14% bis 25% des einfallenden Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln können. Fortschritte in der Siliziumtechnologie haben zu höheren Wirkungsgraden geführt, und heute sind Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 25% erhältlich.
Bei der Betrachtung der unterschiedlichen Wirkungsgrade von Solarzellen ist es wichtig, sich den Unterschied zwischen monokristallinen und polykristallinen Solarzellen anzuschauen.
Monokristalline Solarzellen haben typischerweise einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu polykristallinen Solarzellen. Der Wirkungsgrad von monokristallinen Solarzellen liegt oft im Bereich von 18% bis 25%. Der Grund dafür liegt in der gleichmäßigeren Struktur der monokristallinen Zellen, die eine effizientere Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom ermöglicht.
Polykristalline Solarzellen hingegen haben normalerweise einen etwas niedrigeren Wirkungsgrad von etwa 14% bis 20%. Dies liegt daran, dass die Kristallstruktur in polykristallinen Zellen durch die verschiedenen Schichten nicht so regelmäßig ist wie in monokristallinen Zellen. Dadurch treten mehr Kristallgrenzen auf, die den Fluss von Elektronen beeinträchtigen können.
Trotz des geringfügig niedrigeren Wirkungsgrades haben polykristalline Solarzellen jedoch auch Vorteile. Sie sind oft kostengünstiger in der Herstellung und können in bestimmten Umgebungen, insbesondere bei hohen Temperaturen, besser abschneiden als monokristalline Solarzellen.
Die Wahl zwischen den beiden Arten von Solarzellen ist eine Frage der spezifischen Anforderungen, Kosten und Umgebungsbedingungen eines Projekts. Es lohnt sich, sich von Fachbetrieben zu geeigneten Solarmodulen für Ihre Solaranlage beraten zu lassen.
Es gibt auch andere Arten von Solarzellen mit unterschiedlichen Wirkungsgraden. Dazu gehören Dünnschichtmodule, die amorphe Solarzellen mit Wirkungsgraden zwischen 10% und 20% verwenden. Diese Art von Solarzelle findet im privaten Bereich allerdings weniger Anwendung.
Es ist wichtig zu beachten, dass der Wirkungsgrad nicht allein aussagt, wie gut eine Solarzelle ist. Auch andere Faktoren wie Langlebigkeit und Nennleistung spielen eine Rolle bei der Auswahl der geeigneten Solarmodule.
Solarzellen – zukunftsweisende Technologie für die Energiewende
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Solarzellen eine faszinierende Technologie sind, die eine nachhaltige und umweltfreundliche Möglichkeit bieten, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Der Aufbau einer Solarzelle mit ihrer p-n-Übergangszone ermöglicht die Erzeugung von elektrischem Strom durch den photovoltaischen Effekt.
Der Wirkungsgrad von Solarzellen variiert je nach Art der Solarzelle, wobei monokristalline Solarzellen in der Regel einen höheren Wirkungsgrad aufweisen als polykristalline Solarzellen. Dennoch haben beide Arten ihre eigenen Vor- und Nachteile und die Wahl zwischen ihnen hängt von den spezifischen Anforderungen und Bedingungen des Projekts ab.
Solarzellen spielen eine immer wichtigere Rolle bei der globalen Energiewende, da sie eine saubere und erneuerbare Energiequelle darstellen. Die Nutzung von Solarenergie kann dazu beitragen, den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren und den Klimawandel einzudämmen.
Insgesamt bieten Solarzellen eine vielversprechende Lösung für eine nachhaltige Energieversorgung. Indem wir Sonnenlicht nutzen, um elektrische Energie zu erzeugen, können wir unseren Bedarf an fossilen Brennstoffen reduzieren und gleichzeitig eine umweltfreundliche Zukunft aufbauen. Die Entwicklung und Implementierung effizienter und kostengünstiger Solarzellentechnologien ist ein wichtiger Schritt auf diesem Weg.
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