Was ist eine Solarzelle?
Wie im Beitrag über Solarmodule bereits beschrieben, wandeln Solarzellen Sonnenlicht in elektrische Energie um. Diese Solarzellen erzeugen Gleichspannung. Ihre Leistung wird durch den Wirkungsgrad definiert. Der Wirkungsgrad beschreibt den Anteil des einfallenden Sonnenlichts, der in elektrische Energie umgewandelt wird. Dank kontinuierlicher Forschung und Entwicklung steigt der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz von Solarzellen ständig. Laut der „European Photovoltaic Industry Association“ lag der Wirkungsgrad von Solarzellen im Jahr 2022 bei 15 bis 20 %. Der Hauptrohstoff für die Herstellung von Solarzellen ist Silizium. Silizium ist das zweithäufigste chemische Element nach Sauerstoff in der Erdkruste, was bedeutet, dass es wahrscheinlich nie einen Mangel geben wird. Die Herstellung und Aufbereitung von Silizium für Solarzellen sind jedoch sehr aufwendig, was die Kosten erhöht.
Aufbau einer Solarzelle
Die meisten heute genutzten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Quarzsand). Silizium ist der günstigste Halbleiter und wird durch Licht und Wärme leitfähig. Industriell wird Silizium durch die Entfernung von Sauerstoff gründlich gereinigt, wodurch es eine kristalline Struktur erhält und die Basis für kristalline Solarzellen bildet.
Aufgebaut ist eine kristalline Solarzelle in drei Schichten:
- Obere Siliziumschicht: Mit Fremdatomen (z.B. Phosphor) angereichert, auch als negativ-dotierte Schicht bezeichnet. Hier befinden sich freie Elektronen.
- Grenzschicht: Enthält gesättigte Silizium-Atome. Überschüssige Elektronen aus der oberen Schicht wandern hier durch und erzeugen ein internes elektrisches Feld, den sogenannten p-n-Übergang.
- Untere Siliziumschicht: Oft mit Bor-Atomen angereichert, die weniger Elektronen enthalten, auch als p-dotierte Schicht bekannt.
Arten von Solarzellen
Monokristalline Solarzellen: Diese bestehen aus einkristallinem Silizium. Bei der Herstellung werden aus flüssigem Silizium einkristalline Stäbe gezogen und in dünne Scheiben gesägt. Dadurch entsteht eine glatte, ebene Oberfläche.
Polykristalline Solarzellen: Diese werden aus geschmolzenem Silizium hergestellt, das in Blöcke gegossen und dann in dünne Scheiben gesägt wird. Die Erhärtung führt zu großen, uneinheitlichen Kristallen, die das charakteristische blaue Glitzern dieser Zellen verursachen.
Dünnschichtzellen: Diese zählen zu den amorphen, nicht-kristallinen Solarzellen. Sie werden ebenfalls aus Silizium hergestellt, jedoch mit anderen Materialien vermischt und auf ein Trägermaterial gespritzt oder gedampft.
Organische Solarzellen: Diese bestehen aus organischen Kunststoffen und sind Dünnschichtmodule. Ein großer Vorteil ist ihre Flexibilität und Formbarkeit. Sie können so dünn wie Folie sein und auf Kleidung, Zelte, Fassaden, Fenster, Dächer, Markisen oder Sonnenschirme geklebt werden.