So funktioniert eine Solarzelle
Photovoltaik wandelt pures Sonnenlicht in elektrische Energie. Doch wie funktioniert das genau? Wir sind der Frage auf den Grund gegangen und untersuchen dabei den kleinsten Teil des Sonnenstromwandlers: die Solarzelle.
Aus Licht wird Energie
Ein Photovoltaikmodul besteht aus vielen einzelnen Solarzellen. Mit einer durchschnittlichen Länge von 15 mal 15 Zentimetern sind diese für die tatsächliche Stromgewinnung zuständig und somit das Kernstück des Sonnenkraftwerks. Dafür nutzen sie Silizium, auch Quarzsand genannt, welches eines der wenigen Materialien ist, die durch Sonnenlicht Energie erzeugen können.
Die klassische Solarzelle enthält zwei Schichten Silizium, wobei eine Lage mit Bor, die andere mit Phosphor dotiert ist. Dotieren beschreibt den Einbau von Fremdatomen in den atomaren Gitterverbund des Halbleiters, um seine elektrische Leitfähigkeit zu verbessern.
Während die mit Bor dotierte Schicht über zu wenig Elektronen verfügt und damit positiv geladen ist, treten in der mit Phosphor negativ dotierten Schicht freie Elektronen auf. Getrennt werden beide Lagen von einer Grenzschicht, die für freigesetzte Ladungen nur über die Zufuhr externer Energie passierbar ist.
Genau diese Energie liefern Lichtphotonen bei Sonneneinstrahlung auf die Zelle.
In einer Wechselwirkung zwischen einstrahlendem Sonnenlicht und dem dotierten Halbleiter setzen sich die elektrischen Ladungsträger frei und überqueren die Grenzschicht. Dabei generieren sie ein elektrisches Feld und erzeugen Strom. Dieser wird über Metallkontakte an beiden Seiten der Solarzelle abgeleitet und per Stromkabel ins Haus befördert.
Den erzeugten Gleichstrom, wie er z. B. auch in Batterien vorkommt, wandelt ein Netzeinspeisegerät, auch Wechselrichter genannt, in Wechselstrom um. Dieser kann schlussendlich mit EEG-Vergütung ins Netz eingespeist oder per Stromspeicher im Haushalt genutzt werden.
Mehr Silizium – mehr Strom
Grundlegend unterscheiden sich Solarzellen in ihrer Verarbeitung von Silizium in zwei Kategorien. Die größte Stromgewinnung liefern monokristalline Solarzellen aus einkristallinem Silizium. Diese verfügen über einen sehr hohen Quarzsandanteil, weshalb sie mit einem Wirkungsgrad von ca. 20 Prozent des direkteinstrahlenden Sonnenlichts zu den effektivsten Solarzelle zählen. Jedoch sind ihre Anschaffungskosten durch den aufwendigen Herstellungsprozess des reinen Halbleiters vergleichsweise hoch.
Günstiger sind dagegen polykristalline Solarzellen aus minder reinem Silizium mit einem Wirkungsgrad von rund 15 Prozent. Ihre Produktion ist weniger anspruchsvoll und überzeugt zudem mit einer besseren Umweltbilanz.
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