Wie funktioniert eigentlich Solarenergie?

Auch wenn die Sonne in unseren Breiten nicht ganz so häufig vom Himmel lacht wie etwa an der Côte d’Azure ist die Photovoltaik in vielen Regionen eine wichtige Stütze der Energiewende. Eine Stütze, die in Zukunft vor allem im urbanen Raum zusätzliches Gewicht bekommen wird.

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Immerhin „stören“ auf Dächern montierte oder in Fassaden integrierte Solarmodule viele Menschen deutlich weniger als etwa Windkraftturbinen. Grund genug, sich einmal mit der Funktionsweise von Solarzellen zu beschäftigen.

Wie funktionieren Solarzellen eigentlich?

Das Herz jeder Photovoltaikanlage sind die einzelnen Solarzellen, die zu ganzen Modulen verschaltet werden. Genau genommen handelt es sich bei einer Solarzelle um eine Halbleiterdiode, die die Strahlungsenergie der Sonne in Gleichstrom umwandelt. Zurückzuführen ist die Stromerzeugung auf den sogenannten Photoeffekt. Hervorgerufen wird der Photoeffekt durch den Aufbau der Solarzellen.
Diese bestehen aus zwei Halbleiterschichten, wobei jeweils eine Schicht positiv und die andere negativ geladen ist. Exakt am Übergang zwischen diesen beiden Halbleiterschichten, der auch „p-n-Übergang“ genannt wird, entsteht ein elektrisches Feld. Das elektrische Feld trennt beide Schichten und sorgt für einen Ladungsausgleich. Trifft nun Sonnenlicht auf die Solarzelle, dringen Photonen ein, was dazu führt, dass vorhandene Atome einige Elektronen abgeben.
Die „freien“ Elektronen bewegen sich in die n-Schicht. Die im Gegenzug freiwerdenden „Löcher“ bewegen sich hingegen auf die p-Schicht zu. Mit Hilfe von Kontaktschichten aus Aluminium oder Silber leitet man die Elektronen an der Vorder- und Rückseite der Solarzelle entlang. Das Ergebnis ist der Fluss von elektrischem Strom, der nun über die Photovoltaikanlage umgewandelt und verbraucht bzw. eingespeist oder gespeichert werden kann.

Wie ist ein Solarmodul aufgebaut?

Damit Solarzellen vernünftig Strom produzieren können, dürfen sie nicht „nackt“ auf dem Dach montiert werden. Sie werden vielmehr verkapselt, um die empfindlichen Bestandteile vor Witterungseinflüssen zu schützen. Gleichzeitig sorgt die Verkapselung für eine Isolierung und eine möglichst effiziente Wärmeableitung. Eingebettet sind die Solarzellen in der Regel in eine Schicht aus dem Kunststoff Ethylenvinylacetat. Darüber kommt eine Schicht aus Spezialglas. Diese ist einerseits besonders eisenarm und durchlässig für Strahlung, andererseits jedoch auch stark und flexibel genug, um starker mechanischer Beanspruchung standzuhalten.

Verschiedene Halbleitermaterialien sorgen für spezielle Eigenschaften

1.Polykristalline Solarzellen
Die meisten derzeit verbauten Solarzellen sind sogenannte „Polykristalline Solarzellen“. Dabei handelt es sich um Siliziumzellen, wobei das Silizium im Rahmen der Herstellung mit Boratomen dotiert wird. Diese Mischung wird nun in Blöcke gegossen, sodass das Silizium zu den sogenannten „Ingots“ erstarren kann.
Aus diesen Ausgangsblöcken sägt man nun dünne Scheiben (Wafern), die mit einer Antireflexionsschicht ausgestattet werden. Dieses spezielle Herstellungsverfahren macht die Solarzellen besonders preiswert. Da die Ausrichtung der Siliziumkristalle aber zu Verlusten an den Korngrenzen der Kristalle führt, ist der Wirkungsgrad der Zellen geringer als bei Monokristallinen Solarzellen.

2.Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen haben ihren höheren Wirkungsgrad ihrem speziellen Herstellungsverfahren zu verdanken. Zwar kommt auch hier Silizium als Halbleiter zum Einsatz, dieses wird allerdings in Form einkristalliner Siliziumstäbe verwendet, bevor die daraus entstehenden Blöcke in Wafer zersägt und mit der Antireflexionsschicht versehen werden.
Das Herstellungsverfahren ist allerdings deutlich teurer als die Herstellung Polykristalliner Solarzellen. Dafür liegt der Wirkungsgrad der Zellen aber auch bei bis zu 20 Prozent. Zum Vergleich: Hochwertige Polykristalline Solarzellen bringen es auf einen Wirkungsgrad von 12 bis 16 Prozent.

3.Dünnschichtzellen
Bei der Produktion von Dünnschichtsolarzellen kommt ein ganz anderes Produktionsverfahren zum Einsatz. Hier wird der Halbleiter nicht in Blockform gegossen und zersägt, sondern als Beschichtung auf ein Trägermaterial aufgetragen. Da diese Schichten besonders dünn sind, kommen Dünnschichtzellen mit einem geringen Rohstoffbedarf aus und sind leicht und kostengünstig herzustellen.
Bedingt durch dieses Herstellungsverfahren stehen neben Silizium noch weitere Halbleitermaterialien wie „Kupferindiumselenid“, „Cadmiumtellurid“, „Galliumarsenid“ oder sogar bestimmte Farbstoffe zur Verfügung. Der Nachteil ist allerdings, dass der Wirkungsgrad der Dünnschichtzellen mit 4 bis 10 Prozent eher gering ist. Aktuell kommen die günstig und flexibel einsetzbaren Zellen beispielsweise bei Taschenrechnern, Parkscheinautomaten, Spielzeug und diversen Kleingeräten zum Einsatz.

Rekordverdächtige Solarzellen stehen in den Startlöchern

Da die Flexibilität und die geringen Produktionskosten der Dünnschichtzellen enorme Vorteile bieten und damit der Photovoltaik im Allgemeinen einen Schub verleihen können, forschen Wissenschaftler fieberhaft an der Verbesserung dieses Zelltyps. Aktuell entwickeln Forscher sogenannte Tandemzellen, die mehrere Halbleitermaterialien miteinander kombinieren, um den Wirkungsgrad der Solarzellen zu optimieren. Besonders vielversprechend ist hier eine Kombination aus Silizium und Perowskitsalzen.
Während Silizium nämlich vor allem Energie aus dem energieärmeren roten und infraroten Strahlungsspektrum zieht, können die Perowskite auch das wesentlich energiereichere blaue und grüne Strahlenspektrum verarbeiten. Mit einer solchen Tandemzelle konnte ein Start-up aus Oxford eine Solarzelle herstellen, die einen Photovoltaik-Wirkungsgrad von 27,3 Prozent aufweist. Damit hat man nicht nur den aktuellen Weltrekord von 26 Prozent Wirkungsgrad geknackt, sondern rückt auch dem maximalen theoretischen Wirkungsgrad von Siliziumzellen nahe, der bei 29 Prozent liegt.
Durch die einmaligen physikalischen Eigenschaften könnte künftig gar die Marke von 30 Prozent fallen. Verantwortlich machen Experten wie Andreas Hinsch vom Fraunhofer-Institut für Energiesysteme ISE dafür die hervorragende Kombinierbarkeit der Perowskite mit anderen Halbleitermaterialien. Kombiniert man nun diese „Super-Halbleiter“ im großen Stil mit dem kostengünstigen und ressourcenschonenden Produktionsverfahren der Dünnschichtzellen, wäre dies ein enormer Schritt für die Photovoltaik in Deutschland.