Wie funktioniert eine Solarzelle?

Um zu verstehen, wie eine Solarzelle funktioniert, ist es wichtig, zunächst zu analysieren, wie Geräte für erneuerbare Energien funktionieren. Diese Art von Geräten optimiert die Sonnenenergie und wandelt sie mit komplizierten Verfahren in Elektrizität um, die dann an verschiedene Orte verteilt wird. In diesem Artikel werden wir darüber sprechen, wie Solarzellen funktionieren, welche Arten von Solarzellen es gibt und wie viel der Bau einer Solarzelle kosten wird.

Was ist eine Solarzelle?

Eine photovoltaische Zelle (PV-Zelle), allgemein als Solarzelle bezeichnet, ist ein Gerät, das Sonnenlicht direkt in Strom umwandelt. Damit ist sie das wichtigste Strukturelement von Solarzellen, das die Nutzung der Sonnenenergie für verschiedene Zwecke ermöglicht. Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien, in der Regel Silizium, die die photovoltaische Eigenschaft aufweisen. Der photovoltaische Effekt ermöglicht es diesen Materialien, Photonen aus dem Sonnenlicht zu absorbieren und Strom zu erzeugen. Der Aufbau der Solarzelle ist so konzipiert, dass die Lichtabsorption maximiert und der Elektronenfluss erleichtert wird, wodurch ein Strom erzeugt wird, der zur Energiegewinnung genutzt werden kann.

Was ist die Funktionsweise einer Solarzelle?

Wie funktionieren Solarzellen? Solarzellen wandeln durch den photovoltaischen Effekt Licht in elektrische Energie um. Die Funktion der Solarzelle umfasst mehrere wichtige Schritte. Wenn Sonnenlicht auf die Oberfläche einer Solarzelle trifft und Elektronen im Halbleitermaterial anregt, so dass sie fließen und einen elektrischen Strom erzeugen, umfasst dieser Prozess mehrere wichtige Schritte:

• Lichtabsorption: Photonen aus der Sonne treffen auf die Photovoltaikzelle und werden von dem Halbleiterbauteil aufgenommen. Wenn diese Energie absorbiert wird, werden die Elektronen angeregt und steigen auf ein höheres potenzielles Energieniveau.
• Elektronenfluss: Die angeregten Elektronen bewegen sich zur Vorderseite der Zelle und erzeugen so einen elektrischen Stromfluss. Das interne elektrische Feld in Solarzellen hilft, den Fluss zu lenken.
• Stromsammlung: Die Solarzelle sammelt Elektronen durch metallische, leitende Platten an ihren Seiten, die sie dann als nutzbaren Strom in Drähte überträgt. Dieser Strom kann dann zum Betrieb von Geräten oder zum Aufladen von Batterien verwendet werden.

Der Wirkungsgrad von Solarzellen bezieht sich auf den Prozentsatz des Sonnenlichts, der in nutzbaren Strom umgewandelt werden kann. Materialqualität, Zelldesign und Umweltbedingungen beeinflussen diesen Wirkungsgrad. Durch fortschrittliche Technologien werden die Wirkungsgrade immer weiter verbessert, wodurch Solarzellen effektiver und attraktiver für die Energieerzeugung werden. Innovationen wie bifaciale Solarzellen, die das Sonnenlicht von beiden Seiten einfangen, verschieben die Grenzen des Wirkungsgrads und ermöglichen eine noch höhere Energieausbeute bei gleicher Fläche.

Wie Solarzellen hergestellt werden

Der gesamte Prozess der Solarzellenherstellung besteht aus zahlreichen komplexen Schritten, die für eine maximale Funktionalität Genauigkeit und Exzellenz erfordern. Im Folgenden finden Sie eine einfachere Interpretation der Methodik:

• Herstellung von Silizium: Silizium wird zunächst aus Quarzgestein gewonnen. Anschließend wird es in reiner Form zu dem in Solarzellen verwendeten Material in Halbleiterqualität verarbeitet.

• Herstellung von Wafern: Dünne Wafer werden aus größeren Siliziumblöcken herausgeschnitten und als Trägermaterial für Solarzellen verwendet.

• Dotierung: Bei einem Dotierungsverfahren werden den Siliziumscheiben bestimmte Verunreinigungen hinzugefügt, um ein positiv geladenes Atom und ein Elektron zu bilden. Diese Verbindung ist von entscheidender Bedeutung, da sie zur Erzeugung eines elektrischen Stroms in der Zelle beiträgt.

n-dotierte Schicht: Durch Hinzufügen von Phosphoratomen entsteht eine Schicht mit einem Überschuss an Elektronen, wodurch sie negativ geladen wird.

p-dotierte Schicht: Durch das Hinzufügen von Boratomen entsteht eine Schicht mit weniger Elektronen, was zu einer positiven Ladung führt.

Die Verbindung zwischen diesen beiden Schichten ist von entscheidender Bedeutung, da sie ein elektrisches Feld aufbaut, das den Elektronenfluss antreibt, wenn die Zelle dem Sonnenlicht ausgesetzt ist.

• Beschichtung: Der Siliziumwafer wird mit einer Antireflexionsschicht überzogen, um den Lichtverlust zu verringern und die Lichtabsorption zu erhöhen. Auf der Oberfläche werden Metallleiter, in der Regel in Form feiner Gitterlinien, angebracht, um die erzeugten Elektronen effizient zu sammeln und zu transportieren.

• Zusammenbau: Die Paneele werden aus einzelnen Solarzellen zusammengebaut. Die Anordnung - ob in Reihe oder parallel - hängt von der gewünschten Spannungs- oder Stromleistung ab.

• Prüfung und Qualitätskontrolle: Jedes Solarmodul wird strengen Tests unterzogen, um die Leistungsstandards zu erfüllen. Dabei werden u. a. Effizienz, Haltbarkeit und Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse geprüft.

Die Hersteller erforschen und entwickeln ständig neue Materialien und Techniken, um die Leistung von Solarzellen zu verbessern. So versprechen beispielsweise Perowskit-Solarzellen, obwohl sie sich noch im Versuchsstadium befinden, erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Effizienz und Kosteneffizienz. Ihr Potenzial, mit weniger teuren Materialien und Verfahren hergestellt zu werden, könnte die Solarindustrie revolutionieren.

Arten von Solarzellen

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungen:

• Monokristalline Solarzellen: Diese Zellen bestehen aus einer einzigen Kristallstruktur und zeichnen sich durch hohe Effizienz und Langlebigkeit aus. Sie werden in der Regel in häuslichen und gewerblichen Anlagen mit begrenzter Größe eingesetzt, da ihre Leistung die Erzeugung von mehr Energie in kleineren Bereichen fördert.
• Polykristalline Solarzellen: Diese Zellen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen und sind daher weniger effizient als monokristalline Zellen, aber billiger. Sie werden vor allem in größeren Solarparks eingesetzt, wo der Platz keine große Rolle spielt und die Kosten eine große Rolle spielen können.
• Dünnschicht-Solarzellen: Dünnschichtzellen bestehen aus Schichten von flexiblen und leichten Halbleitermaterialien. Sie eignen sich für mobile Geräte oder integrierte Fotovoltaik in Konstruktionen, bei denen Platz und Gewicht eine Rolle spielen.
• Bifaciale Solarzellen: Diese Zellen können das Sonnenlicht von beiden Seiten einfangen, was ihre Effizienz erhöht. Produkte wie das Anker Solarbank 2 E1600 Pro + 4x 435W Bifazial + Bodenhalterungen (4er-Set) nutzen die Bifacial-Technologie für eine verbesserte Leistung. Dies macht sie besonders effektiv in Umgebungen mit reflektierenden Oberflächen, wie Schnee oder Wasser.

• Perowskit-Solarzellen: Perowskit-Zellen scheinen die Technologie der Zukunft zu sein, da sie einen hohen Wirkungsgrad haben und kostengünstig hergestellt werden können. Ihre Stabilität und wirtschaftliche Tragfähigkeit werden jedoch noch erforscht. Sie können auch mit anderen derzeit auf dem Markt befindlichen Solartechnologien gemischt werden, um ihre Leistung zu verbessern.

Im Zuge des technischen Fortschritts werden auch hybride Solarzellen entwickelt, die verschiedene Materialien und Technologien kombinieren. Diese zielen darauf ab, die Stärken der einzelnen Typen zu nutzen, um noch höhere Wirkungsgrade und vielseitigere Anwendungen zu ermöglichen.

Wie viel kostet eine Solarzelle?

Faktoren wie die Art der Zelle, die Produktionsmethode und die Nachfrage spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Preises von Solarmodulen. Fortschritte in der Technologie und eine Steigerung der Produktionskapazitäten haben zu sinkenden Kosten für diese Art von Geräten beigetragen. Hier sind einige wichtige Überlegungen:

• Materialkosten: Der Kostenfaktor wird stark von der Qualität des Siliziums und anderer Materialien beeinflusst. Monokristalline Zellen sind in der Regel teurer, da sie effizienter sind und komplexe Herstellungsprozesse erfordern.
• Produktionsvolumen: Die Stückkosten sinken tendenziell mit zunehmendem Produktionsvolumen. Die Preise sinken, wenn mehr Menschen die Solarenergietechnologie aufgrund von Größenvorteilen annehmen.
• Technologischer Fortschritt: Innovationen bei Herstellungsverfahren und Materialien können die Kosten senken. So ist beispielsweise die Dünnschichttechnologie durch Verbesserungen erschwinglich geworden.
• Installation und Wartung: Die Gesamtkosten für Solaranlagen umfassen die Installation und die laufende Wartung. Produkte wie das Anker SOLIX Balkonkraftwerk (1080W PV) mit Mikro-Wechselrichter 600W/800W und Bodenhalterungen bieten integrierte Lösungen, die die Installation vereinfachen und die zusätzlichen Kosten minimieren.

• Staatliche Anreize: Für die vielen Nutzer, die ein oder zwei Jahre lang magere Preise für diesen Strom erhalten, kommen in anderen Bereichen Steuererleichterungen ins Spiel. In diesem Fall kann jedes Solarenergieprojekt dank der finanziellen Unterstützung in die Praxis umgesetzt werden.

Ein Batteriesystem, das für eine Spitzenleistung von 4 bis 10 Kilowatt für ein normales Ein- oder Zweifamilienhaus ausgelegt ist, kostet im Durchschnitt zwischen 6.000 und 12.000 €. Auch wenn die Investition in eine Solaranlage anfangs viel Geld kostet, sind sich viele einig, dass das Geld, das sie im Laufe der Zeit durch niedrigere Stromrechnungen einsparen, viel mehr ist als der Kauf solcher Anlagen.

Schlussfolgerung

Ein klares Verständnis davon, wie eine Solarzelle funktioniert und welche verschiedenen Kategorien es gibt, ist von grundlegender Bedeutung, um fundierte Entscheidungen über Investitionen in Solarenergie zu treffen. Da sich die Technologie ständig weiterentwickelt, verbessern Solarzellen ihren Wirkungsgrad und werden zunehmend verfügbar, was eine zukünftige Lösung für eine nachhaltige Energieversorgung darstellt. Die Nutzung der Solarenergie verringert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und trägt zur Erhaltung der Umwelt und zur Energieunabhängigkeit bei.

FAQs

Wie wird der Strom in einer Solarzelle erzeugt?

Der photovoltaische Effekt ist der Prozess der Stromerzeugung in Solarzellen. Er tritt auf, wenn Sonnenlicht auf elektronische Bindungen in den Halbleitermaterialien trifft und Elektronen freisetzt, die dann fließen und elektrischen Strom erzeugen.

Können Solarzellen auch an bewölkten Tagen funktionieren?

Ja, Solarzellen können auch an bewölkten Tagen funktionieren, aber ihr Wirkungsgrad ist geringer. Während sie ohne direktes Sonnenlicht weniger Strom erzeugen, können sie mit diffusem Licht, das durch die Wolken dringt, immer noch Strom produzieren.

Welche Leistung liefert eine Solarzelle?

In der Regel erzeugt ein modernes kristallines Solarmodul jährlich etwa 150 bis 230 Kilowattstunden pro Quadratmeter.  Die tatsächliche Stromerzeugung kann je nach Größe, Wirkungsgrad, Ausrichtung, Neigung, Sonneneinstrahlung usw. des Moduls variieren.