Solarzellen kommen hauptsächlich in Photovoltaikanlagen zum Einsatz, wo sie Sonnenenergie in elektrischen Strom umwandeln. Lange Zeit galt die Photovoltaik zur privaten Stromerzeugung aus regenerativen Energien als unwirtschaftlich. Jedoch wurde die Solarzelle als Hauptkomponente photovoltaischer Anlagen in den letzten Jahrzehnten durch ständige Weiterentwicklung und Forschung massentauglich gemacht. Photovoltaisch erzeugter Strom kann heute fast 75 % günstiger produziert werden als noch vor zehn Jahren. Die Anschaffungskosten für Solarzellenmodule sind ebenfalls stark gesunken; gleichzeitig rechnet sich der Anlagenbetrieb für Privatpersonen wesentlich schneller. Wir verraten Ihnen im Folgenden, wie Solarzellen funktionieren und in Photovoltaikanlagen Strom produzieren. Außerdem geben wir Ihnen einen Überblick über verschiedene Arten von Photovoltaikanlagen, Anschaffungskosten und Förderprogramme, von denen Sie profitieren können.

 

Wie sind Solarzellen aufgebaut?

Bevor wir die Funktionsweise einer Solarzelle erklären, sollte man den Aufbau einer Solarzelle kennen:   Eine Solarzelle besteht aus drei Schichten:

  • einer oberen Schicht
  • einer unteren Schicht
  • dazwischen liegt die Grenzschicht.

Alle drei Schichten bestehen aus Silizium. Die obere Schicht wird mit Phosphoratomen angereichert, die untere mit Boratomen.

Solarzelle Aufbau

Foto: BRN-Pixel - Adobe Stock

 

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Eine Solarzelle macht sich die besonderen Eigenschaften eines Halbleiters zunutze. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit wird für die meisten Solarzellen Silizium als Halbleiter verwendet. Halbleiter stehen mit ihrer stromleitenden Eigenschaft zwischen Metallen und Isolatoren. Metalle verfügen über frei bewegliche Elektronen; in Isolatoren wie Kunststoffen oder Glas sind die Elektronen fest verbunden. Halbleiter wie Silizium verhalten sich nun grundlegend wie Isolatoren. Ihre Elektronen sind gebunden und nicht frei beweglich. Die Besonderheit der Elektronenbindung in Halbleitern ist jedoch, dass ihre Elektronen durch relativ geringe Energieeinwirkung aus Ihrer Verbindung gelöst werden können. Wirkt also Energie einer bestimmten Intensität auf den Halbleiter Silizium ein, werden Elektronen frei. Unter Einwirkung von Energie leitet Silizium also Strom.

 

Genau dieses Halbleiterprinzip wird in der Solarzellentechnik angewendet. In einer Silizium-Solarzelle wird die obere Siliziumschicht mit Elektronen angereichert. Dies geschieht durch Zugabe negativ geladener Phosphoratome. In der unteren Siliziumschicht wird durch die Zugabe von positiv geladenen Boratomen ein Elektronenmangel hergestellt. Zwischen den beiden Schichten bildet sich eine neutrale Übergangszone, in der sich überschüssige Elektronen aus der oberen Schicht locker an freie Stellen überschüssiger Boratome (Elektronen-Akzeptoren) binden. Die obere Schicht ist nun negativ, die untere positiv geladen, in der Mitte sind Elektronen locker an Elektronen-Akzeptoren gebunden. Zwischen beiden Schichten bildet sich ein elektrisches Feld. Wenn nun Photonen, oder Lichtteilchen, auf diese Silizium-Solarzelle einwirken, geschieht folgendes: Durch die Energieeinwirkung der Photonen auf die losen Elektronenverbindungen in der neutralen Übergangszone werden ebendiese Verbindungen aufgelöst. Die befreiten negativen Elektronen bewegen sich entsprechend des elektrischen Feldes nach oben, die positiv dotierten Elektronen-Akzeptoren nach unten. Solange durch Photoneneinwirkung freie Ladungsträger in der Übergangszone entstehen und diese sich in Richtung der anliegenden Kontaktstellen bewegen, fließt im außerhalb der Solarzelle angelegten Kreislauf zwischen der positiven und der negativen Kontaktstelle Strom.         

 

Wie funktioniert eine Solarzelle - einfach erklärt

Um das Funktionsprinzip einer Solarzelle nochmal in einfachen Worten zu beschreiben hier ein kurzer Überblick: um Strom mit einer Solarzelle zu erzeugen, braucht man Sonnenlicht.

  • Sobald Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, wandern Bor-Elekronen durch die Grenzschicht. Auf der einen Seite sammeln sich die negativ geladenen Elektronen, auf der anderen Seite die positiv geladenen Protonen. Es entsteht also ein Minus- und ein Pluspol, so wie in einer Batterie.
  • Damit Strom fließen kann, werden an Ober- und Unterseite der Solarzellen Plättchen aus Silber oder Aluminium angebracht und diese mit einem Kabel miteinander verbunden.
  • Der Strom wandert auch wenn nur wenig Sonnenlicht auf das Solarpanel trifft. Je stärker die Sonneneinstraglung, umso mehr Elekronen wandern und umso mehr Strom kann erzeugt werden.

 

Unterschiedliche Arten von Solarzellen mit ihren Wirkungsgraden

Bei den auf Silizium basierten Solarzellen findet eine Unterscheidung entlang der kristallinen Struktur des Siliziumhalbleiters statt. Entsprechend des Kristallaufbaus des verwendeten Siliziums haben diese Solarzellen unterschiedliche Wirkungsgrade. Der Einfachheit halber unterscheiden wir hier die drei häufigsten Solarzellenarten mit ihrern unterschiedlichen Wirkungsgraden*.

Art der Solarzellen Herstellung und Aufbau Wirkungsgrad
Monokristalline Silizium-Solarzellen Die Herstellung erfolgt aus reinen Einkristallen. Die runden, ca. 30 cm starken Stränge werden in quadratische Form gebracht und in hauchdünne Scheiben (Wafer) geschnitten. Erkennen lassen sich monokristalline Solarstrom-Zellen an der reinen dunkelblauen bis schwärzlichen Färbung. Die Herstellung ist energieaufwendig. ca. 14 bis 18 Prozent
Polykristalline Silizium-Solarzellen Polykristalline Solarstrom-Zellen lassen sich aus Blöcken mehrerer Siliziumkristalle herstellen. Diese werden zu quadratischen Strängen verarbeitet, von denen sich anschließend dünne Scheiben abschneiden lassen. Zu erkennen sind Solarpaneele mit polykristallinen Zellen an der typischen Kristallstruktur. Während die Herstellung weniger Energie verbraucht, erreichen die Zellen geringere Wirkungsgrade. ca.12 bis 16 Prozent
Amporphe Solarzellen oder Dünnschichtzellen

Dünnschichtzellen bestehen aus einer dünnen Halbleiterschicht, die bei der Herstellung auf ein Trägermaterial (Glas, Kunststoff, Metallfolie) aufgedampft wird. Es entstehen leichte und flexible Solarzellen in verschiedensten Formen. Die Herstellung ist kostengünstiger, der Wirkungsgrad dafür schlechter. Ein weiterer Nachteil: Die Leistung der Zellen lässt schneller nach, als bei anderen Arten.

ca. 6 bis 8 Prozent

* Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie viel der zur Verfügung stehenden Energie von der Photovoltaik Zelle, dem Modul oder der Anlage in Solarstrom umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad ist bei den verschiedenen Solarzellen höchst unterschiedlich.

 

Anschaffungskosten von Solarzellen

Die Anschaffungskosten für eine Photovoltaikanlage hängen von verschiedenen Faktoren ab, die maßgeblich von Ihnen selbst bestimmt werden. Wie viel Platz steht Ihnen zur Installation der Anlage zur Verfügung? Wie viele Personen leben in Ihrem Haushalt und wie hoch ist Ihr Stromverbrauch? Für welche Art Solarzellen entscheiden Sie sich: Monokristall, Polykristall oder amorphes Silizium? Dies sind nur einige der Kostenfaktoren, die Sie mit einem Fachmann besprechen sollten.

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Erfahrungsgemäß kann gesagt werden, dass etwa 85 % der Anschaffungskosten einer Photovoltaikanlage auf Materialkosten und 15 % auf die Montagekosten entfallen.

 

Beispielrechnung für die Kosten von Solarzellen

Für eine einfache Kostenannäherung kann davon ausgegangen werden, dass ein durchschnittlicher Haushalt seinen jährlichen Strombedarf mit einer Anlage einer Leistungsgröße von 5 Kilowatt Peak (kWp) decken kann. Pro kWp müssen Sie mit einer Solarzellenfläche von 6 Quadratmetern und einem Preis von etwa 1.500 Euro rechnen. In diesem Rechenbeispiel benötigen Sie also eine rund 30 Quadratmeter große Photovoltaikanlage, für die Sie ungefähr 7.500 Euro Materialkosten einrechnen müssen. Montage, jährliche Wartung und Betriebskosten müssen zusätzlich berechnet werden.

 

Förderung für Solarzellen

Im Zuge der Energiewende hat die Bundesregierung das Ziel ausgerufen, bis 2035 den Anteil erneuerbarer Energien an der gesamten deutschen Stromversorgung auf etwa 60 % zu erhöhen. Um dieses und andere Ziele zu erreichen, wurden bereits seit 1991 Einspeisevergütungen für private Produzenten von Strom aus erneuerbaren Energien gezahlt. Diese Einspeisevergütungen sind laut Gesetzesregelung degressiv angelegt. Es lohnt sich für Haushalte, die Photovoltaikanlagen besitzen, also immer mehr, den erzeugten Strom selbst zu nutzen. Neben Einspeisevergütungen existieren weitere Förderprogramme. Die KfW-Förderbank vergibt eine Reihe spezieller Photovoltaik-Darlehen, die über Tilgungszuschüsse verfügen. Einige Bundesländer, Kommunen und sogar Städte haben eigene Solarfördergesetze implementiert.

 

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Quelle: Bosch Thermotechnik GmbH
Foto: electriceye - Adobe Stock

   
 

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