Solarzellen übernehmen die Hauptaufgabe einer Photovoltaikanlage: Sie wandeln die einfallende Strahlungsenergie in elektrische Energie um. Mit dieser umweltfreundlichen Stromerzeugung kann selbst Strom erzeugt werden. Aber wie funktionieren Solarzellen, was kostet eine PV-Anlage sowie wo gibt es Fördergelder? All diese Fragen beantworten wir Ihnen in unserem Artikel.

 

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 Phosphor-Atomen angereichert, die untere mit Bor-Atomen.

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.
  • Bei einem Halbleiter hängt die Leitfähigkeit von der Temperatur ab. Sie verhalten sich grundlegend wie Isolatoren: Ihre Elektronen sind gebunden und nicht frei beweglich. Die Besonderheit der Elektronenbindung in Halbleitern ist jedoch, dass ihre Elektronen durch 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 Sonnenenergie 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 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, lösen sich durch die Energieeinwirkung der Photonen die Elektronenverbindungen in der neutralen Übergangszone auf. 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 genau 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-Elektronen 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 mit einem Kabel miteinander verbunden.
  • Der Strom wandert auch, wenn nur wenig Sonnenlicht auf das Solarpanel trifft. Je stärker die Sonneneinstrahlung, umso mehr Elektronen wandern und umso mehr Strom kann fließt.
Solarthermie oder Photovoltaik?
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Unterschiedliche Arten von Solarpanels mit ihren Wirkungsgraden

Bei Solarzellen auf Siliziumbasis 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 ihren 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. ca. 19 bis 24 Prozent
Polykristalline Silizium-Solarzellen Polykristalline Solarstrom-Zellen werden aus Blöcken mehrerer verschiedener Siliziumkristalle hergestellt. 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. Diese Solarzellen haben geringere Wirkungsgrade als monokristalline, sind aber preiswerter. ca.16 bis 20 Prozent
Amorphe Solarzellen oder Dünnschichtzellen Dünnschicht-Solarzellen bestehen aus einer dünnen Halbleiterschicht, die auf ein Trägermaterial (Glas, Kunststoff, Metallfolie) aufgedampft wird. Es entstehen leichte und flexible Solarzellen. Die Herstellung ist kostengünstiger, der Wirkungsgrad dafür schlechter. Die Leistung der Zellen (Degradation) lässt schneller nach, als bei anderen Arten. ca. 6 bis 10 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.

 

Viele Solarzellen werden zum Solarmodul

Solarzellen werden nicht einzeln auf einem Dach installiert. Mehrere Solarzellen werden zu einem Solarmodul zusammengeschaltet. Ein Solarmodul besteht je nach Ausführung aus 36 bis 72 einzelnen Solarzellen a 6 Zoll. Bei den derzeitigen Standardmodulen besteht ein Modul aus 60 bzw. 72 Solarzellen. Beispielhaft sehen wir am folgenden linken polykristallinen Modul eine Zusammenstellung von 8*9 Solarzellen:

Solarmodule im Vergleich
Quelle: keepsmiling4u – Adobe Stock

Von den Solarmodulen wird der Strom dann zum Wechselrichter weitergeleitet. Von dort gelangt er entweder gegen eine Einspeisevergütung in das öffentliche Stromnetz oder wird im Haushalt direkt verbraucht bzw. zwischenzeitlich im Solarstromspeicher vorrätig gehalten für den Eigenverbrauch.

Anschaffungskosten von Solarzellen

Die Anschaffungskosten für eine Photovoltaikanlage hängen von verschiedenen Faktoren ab. 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: Monokristallin, polykristallin oder amorphes Silizium? Dies sind nur einige der Kostenfaktoren, die Sie mit einem Fachmann besprechen sollten.

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 bei polykristallinen Solarzellen 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. Bei Kleinanlagen bis 10 kWp, wie Sie z.B. oft auf Einfamilienhäusern zum Einsatz kommen, können Sie von Photovoltaik Kosten zwischen 1.300 bis 1.700 Euro pro kWp ausgehen. Je größer die Photovoltaikanlage ausfällt, desto niedriger sind die Kosten pro kWp.

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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 diese Ziele zu erreichen, wird bereits seit 1991 eine Einspeisevergütung für Strom aus erneuerbaren Energien gezahlt.

Die Einspeisevergütung ist laut Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) degressiv angelegt. Es lohnt sich für Haushalte, die Photovoltaikanlagen besitzen, also immer mehr, den erzeugten Strom selbst zu nutzen.

Neben der Einspeisevergütung existieren weitere Förderprogramme. Die KfW-Förderbank vergibt über das Programm 270 ein Photovoltaik-Darlehen mit Tilgungszuschüssen. Viele Bundesländer und Kommunen haben eigene Programme zur Photovoltaikförderung implementiert.

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Quelle: Bosch Thermotechnik GmbH
Foto: electriceye – Adobe Stock