Wie funktioniert eine Solarzelle, ein elektronisches Gerät, das Sonnenlicht einfängt und es direkt in Strom umwandelt?

Warum verschwenden wir unsere Zeit damit, nach Öl zu bohren und Kohle zu schaufeln, wenn es ein gigantisches Kraftwerk am Himmel über uns gibt, das saubere Energie ohne Unterbrechung und kostenlos liefert? Die Sonne, ein brodelnder Ball aus Kernkraft, hat genug Brennstoff an Bord, um unser Sonnensystem für weitere fünf Milliarden Jahre anzutreiben - und Sonnenkollektoren können diese Energie in eine endlose, bequeme Versorgung mit Strom umwandeln.

Die Funktion von Phosphor und Bor in einer Solarzelle einfach erklärt:

Solarenergie mag seltsam oder futuristisch erscheinen, aber sie ist bereits alltäglich. Vielleicht haben Sie eine solarbetriebene Quarzuhr an Ihrem Handgelenk oder einen solarbetriebenen Taschenrechner. Viele Menschen haben solarbetriebene Lichter in ihrem Garten. Auch Raumschiffe und Satelliten sind in der Regel mit Solarzellen ausgestattet. Die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA hat sogar ein solarbetriebenes Flugzeug entwickelt! Da die globale Erwärmung unsere Umwelt weiterhin bedroht, besteht kaum ein Zweifel daran, dass die Solarenergie in Zukunft eine noch wichtigere Form der erneuerbaren Energie sein wird. 

Wie viel Energie können wir aus der Sonne gewinnen?

Die Sonnenenergie ist erstaunlich. Im Durchschnitt empfängt jeder Quadratmeter der Erdoberfläche 163 Watt Sonnenenergie. Mit anderen Worten: Man könnte auf jedem Quadratmeter der Erdoberfläche eine wirklich starke Tischlampe (150 Watt) aufstellen und den ganzen Planeten mit der Energie der Sonne beleuchten!

Oder anders ausgedrückt: Wenn wir nur ein Prozent der Wüste Sahara mit Sonnenkollektoren bedecken würden, könnten wir genug Strom erzeugen, um die ganze Welt zu versorgen. Das ist das Gute an der Solarenergie: Es gibt unheimlich viel davon - viel mehr, als wir jemals nutzen könnten. Die Energiemenge, die wir aus dem Sonnenlicht gewinnen können, ist jedoch bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang am geringsten und mittags, wenn die Sonne direkt über uns steht, am höchsten.

Aber es gibt auch eine Kehrseite. Die Energie, die die Sonne aussendet, kommt auf der Erde als eine Mischung aus Licht und Wärme an. Beides ist unglaublich wichtig - das Licht lässt die Pflanzen wachsen und versorgt uns mit Nahrung, während die Wärme uns warm genug hält, um zu überleben -, aber wir können weder das Licht noch die Wärme der Sonne direkt nutzen, um einen Fernseher oder ein Auto zu betreiben. Wir müssen einen Weg finden, die Sonnenenergie in andere Energieformen umzuwandeln, die wir leichter nutzen können, z. B. in Strom. Und genau das tun Solarzellen.

Was sind Solarzellen?

Eine Solarzelle ist ein elektronisches Gerät, das Sonnenlicht einfängt und es direkt in Strom umwandelt. Sie ist etwa so groß wie die Handfläche eines Erwachsenen, hat eine achteckige Form und ist bläulich-schwarz gefärbt. Solarzellen werden oft zu größeren Einheiten, den so genannten Solarmodulen, gebündelt, die wiederum zu noch größeren Einheiten, den so genannten Solarzellenpaneelen, zusammengefügt werden - in der Regel mit mehreren hundert einzelnen Solarzellen pro Dach. Ein Haus ist beispielsweise mit 16 Solarmodulen bedeckt, die jeweils aus einem Gitter von 10×6 = 60 kleinen Solarzellen bestehen. An einem guten Tag erzeugt dies wahrscheinlich etwa 4 Kilowatt Strom.

Wie die Zellen in einer Batterie sind auch die Zellen in einem Solarmodul darauf ausgelegt, Strom zu erzeugen; doch während die Zellen einer Batterie Strom aus Chemikalien erzeugen, erzeugen die Zellen eines Solarmoduls Strom, indem sie Sonnenlicht einfangen. Sie werden manchmal als photovoltaische Zellen (PV-Zellen) bezeichnet, weil sie das Sonnenlicht nutzen ("photo" kommt vom griechischen Wort für Licht), um Strom zu erzeugen (das Wort "voltaisch" ist eine Anspielung auf den italienischen Elektrizitätspionier Alessandro Volta, 1745-1827).

Wir können uns vorstellen, dass Licht aus winzigen Teilchen, den so genannten Photonen, besteht. Ein Sonnenstrahl ist also wie ein leuchtend gelber Feuerwehrschlauch, der Billionen von Photonen in unsere Richtung schießt. Eine Solarzelle fängt diese energiereichen Photonen auf und wandelt sie in einen Elektronenfluss um - einen elektrischen Strom. Jede Zelle erzeugt ein paar Volt Strom, so dass die Aufgabe eines Solarmoduls darin besteht, die von vielen Zellen erzeugte Energie zu bündeln, um eine brauchbare Menge an elektrischem Strom und Spannung zu erzeugen.

Praktisch alle heutigen Solarzellen bestehen aus Siliziumscheiben (eines der häufigsten chemischen Elemente auf der Erde, das in Sand vorkommt), obwohl, wie wir gleich sehen werden, auch eine Vielzahl anderer Materialien verwendet werden kann (oder stattdessen). Wenn das Sonnenlicht auf eine Solarzelle scheint, werden durch die Energie, die es transportiert, Elektronen aus dem Silizium herausgeschleudert. Diese können gezwungen werden, durch einen Stromkreis zu fließen und alles zu versorgen, was mit Strom betrieben wird. 

Wie werden Solarzellen hergestellt?

Silizium ist das Material, aus dem die Transistoren (winzige Schalter) in Mikrochips hergestellt werden - und Solarzellen funktionieren auf ähnliche Weise. Silizium ist ein Material, das als Halbleiter bezeichnet wird. Einige Materialien, vor allem Metalle, lassen Strom sehr leicht durch sie hindurchfließen; sie werden als Leiter bezeichnet. Andere Materialien, wie Kunststoffe und Holz, lassen Strom gar nicht erst durch sich hindurchfließen; sie werden als Isolatoren bezeichnet. Halbleiter wie Silizium sind weder Leiter noch Isolatoren: Sie leiten normalerweise keinen Strom, aber unter bestimmten Umständen können wir sie dazu bringen, dies zu tun.

Eine Solarzelle ist ein Sandwich aus zwei verschiedenen Siliziumschichten, die speziell behandelt oder dotiert wurden, so dass sie den Strom in einer bestimmten Weise durch sie fließen lassen. Die untere Schicht ist so dotiert, dass sie etwas zu wenig Elektronen hat. Sie wird p-Typ oder positives Silizium genannt (weil Elektronen negativ geladen sind und diese Schicht zu wenig davon hat). Die obere Schicht ist umgekehrt dotiert, so dass sie etwas zu viele Elektronen hat. Sie wird n-Typ oder negatives Silizium genannt.

Schichten
oben: n-Typ oder negatives Silizium – weniger Elektronen, negativ geladen (blau)
unten: p-Typ oder positives Silizium – mehr Elektronen, positiv geladen (rot)

Wenn wir eine Schicht n-Typ-Silizium auf eine Schicht p-Typ-Silizium legen, entsteht an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien (der wichtigen Grenze, an der die beiden Siliziumarten aufeinandertreffen) eine Barriere. Keine Elektronen können diese Barriere überwinden, so dass auch dann kein Strom fließt, wenn man dieses Silizium-Sandwich an eine Taschenlampe anschließt: Die Glühbirne wird nicht leuchten. Wenn wir jedoch Licht auf das Sandwich leuchten, geschieht etwas Bemerkenswertes. Wir können uns das Licht als einen Strom von energetischen "Lichtteilchen", den Photonen, vorstellen. Wenn Photonen in unser Sandwich eindringen, geben sie ihre Energie an die Atome im Silizium ab. Die eintreffende Energie stößt Elektronen aus der unteren p-Typ-Schicht heraus, so dass sie über die Barriere in die darüber liegende n-Typ-Schicht springen und durch den Schaltkreis fließen. Je mehr Licht einfällt, desto mehr Elektronen springen hoch und desto mehr Strom fließt. Das versteht man unter Photovoltaik - Licht erzeugt Spannung - und es ist eine Art von dem, was Wissenschaftler den photoelektrischen Effekt nennen.

Wie funktionieren Solarzellen?

Eine Solarzelle ist ein Sandwich aus n-Typ Silizium (blau) und p-Typ Silizium (rot). Sie erzeugt Strom, indem sie das Sonnenlicht nutzt, um Elektronen über den Übergang zwischen den verschiedenen Siliziumtypen springen zu lassen:

Wenn das Sonnenlicht auf die Zelle scheint, wird die obere Fläche mit Photonen (Lichtteilchen) beschossen. Die Photonen tragen ihre Energie durch die Zelle nach unten. Die Photonen geben ihre Energie an die Elektronen in der unteren, p-Typ-Schicht ab. Die Elektronen nutzen diese Energie, um über die Barriere in die obere, n-leitende Schicht zu springen und in den Stromkreis zu entkommen. Die Elektronen fließen durch den Stromkreis und bringen die Lampe zum Leuchten.

Wie effizient sind Solarzellen?

Eine physikalische Grundregel, das Energieerhaltungsgesetz, besagt, dass wir Energie nicht auf magische Weise erzeugen oder in Luft auflösen können; alles, was wir tun können, ist, sie von einer Form in eine andere umzuwandeln. Das bedeutet, dass eine Solarzelle nicht mehr elektrische Energie erzeugen kann, als sie pro Sekunde als Licht empfängt. In der Praxis wandeln die meisten Zellen etwa 10-20 % der empfangenen Energie in Strom um.

Eine typische Silizium-Solarzelle mit einem Übergang hat einen theoretischen maximalen Wirkungsgrad von etwa 30 %, der als Shockley-Queisser-Grenze bekannt ist. Das liegt im Wesentlichen daran, dass das Sonnenlicht eine breite Mischung von Photonen verschiedener Wellenlängen und Energien enthält und jede Solarzelle mit einem Übergang so optimiert ist, dass sie nur Photonen innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes einfängt und den Rest vergeudet. Einige der Photonen, die auf eine Solarzelle treffen, haben nicht genug Energie, um Elektronen herauszuschlagen, so dass sie effektiv verschwendet werden, während einige zu viel Energie haben und der Überschuss ebenfalls verschwendet wird. Die besten und modernsten Laborzellen erreichen unter absolut perfekten Bedingungen einen Wirkungsgrad von knapp unter 50 Prozent, indem sie mit Hilfe von Mehrfachübergängen Photonen unterschiedlicher Energie einfangen.

Die allererste Solarzelle erreichte einen Wirkungsgrad von gerade einmal 6 Prozent; die effizienteste bisher produzierte Zelle erreichte unter Laborbedingungen 47,1 Prozent. Bei den meisten Zellen handelt es sich um Typen der ersten Generation, die in der Theorie etwa 15 Prozent und in der Praxis wahrscheinlich 8 Prozent erreichen können.

Echte Solarpaneele für den Hausgebrauch erreichen vielleicht einen Wirkungsgrad von etwa 15 %, wenn man hier und da einen Prozentpunkt dazu gibt, und es ist unwahrscheinlich, dass dieser Wert noch viel besser wird. Solarzellen der ersten Generation mit einem Übergang werden nicht an die 30 % Effizienz der Shockley-Queisser-Grenze herankommen, geschweige denn an den Laborrekord von 47,1 %. Der nominale Wirkungsgrad hängt von vielen Faktoren ab, die in der Praxis eine Rolle spielen, z. B. von der Konstruktion der Solarzellen, ihrer Positionierung und ihrem Winkel, der Frage, ob sie im Schatten liegen, der Sauberkeit, der Erwärmung (steigende Temperaturen verringern den Wirkungsgrad) und der Belüftung (d. h. der Luftzirkulation unter den Zellen), um sie kühl zu halten.

Arten von photovoltaischen Solarzellen.

Die meisten Solarzellen, die Sie heute auf den Dächern sehen, sind im Grunde nur Silizium-Sandwiches, die speziell behandelt ("dotiert") wurden, um sie zu besseren elektrischen Leitern zu machen. Wissenschaftler bezeichnen diese klassischen Solarzellen als Solarzellen der ersten Generation, vor allem um sie von zwei verschiedenen, moderneren Technologien der zweiten und dritten Generation zu unterscheiden. Worin besteht also der Unterschied?

Erste Generation

Mehr als 90 Prozent der Solarzellen weltweit werden aus kristallinen Siliziumscheiben (abgekürzt c-Si) hergestellt, die aus großen Blöcken (Ingots) geschnitten werden, die in hochreinen Labors in einem Prozess gezüchtet werden, der bis zu einem Monat dauern kann. Die Blöcke haben entweder die Form von Einkristallen (monokristallin oder mono-Si) oder enthalten mehrere Kristalle (polykristallin, multi-Si oder poly c-Si).

Solarzellen der ersten Generation verwenden eine einzige, einfache Verbindung zwischen n-Typ- und p-Typ-Siliziumschichten, die aus separaten Blöcken geschnitten werden. Ein n-Typ-Rohling wird also durch Erhitzen von Siliziumstücken mit kleinen Mengen Phosphor, Antimon oder Arsen als Dotierstoff hergestellt, während ein p-Typ-Rohling Bor als Dotierstoff verwendet. Scheiben von n- und p-Typ-Silizium werden dann verschmolzen, um den Übergang herzustellen.

Es kommen noch ein paar Extras hinzu wie eine Antireflexionsbeschichtung, die die Lichtabsorption verbessert und den Solarzellen ihre charakteristische blaue Farbe verleiht, ein Schutzglas auf der Vorderseite und eine Kunststoffrückseite sowie Metallanschlüsse, damit die Zelle in einen Stromkreis eingebunden werden kann. Ein einfacher p-n-Übergang ist das Herzstück der meisten Solarzellen. So funktionieren so ziemlich alle photovoltaischen Silizium-Solarzellen seit 1954, als die Wissenschaftler der Bell Labs Pionierarbeit leisteten: Sie erzeugten Strom, indem sie Sonnenlicht auf aus Sand gewonnenes Silizium strahlten.

Zweite Generation

Flexible Dünnschichtsolarzellen der zweiten Generation: Die stromerzeugende Schicht besteht aus amorphem Silizium, das auf einer dünnen, flexiblen und relativ preiswerten Kunststoffunterlage (dem "Substrat") befestigt ist.

Klassische Solarzellen sind relativ dünne Wafer - in der Regel ein Bruchteil eines Millimeters tief (etwa 200 Mikrometer, 200μm). Im Vergleich zu den Zellen der zweiten Generation, die im Volksmund als Dünnschicht-Solarzellen (TPSC) oder Dünnschicht-Photovoltaik (TFPV) bezeichnet werden, die noch einmal etwa 100 Mal dünner sind (mehrere Mikrometer oder Millionstel Meter tief), sind sie jedoch absolute Platten. Obwohl die meisten von ihnen immer noch aus Silizium hergestellt werden (eine andere Form, die als amorphes Silizium, a-Si, bekannt ist, bei der die Atome zufällig angeordnet sind, anstatt präzise in einer regelmäßigen kristallinen Struktur geordnet zu sein), werden einige aus anderen Materialien hergestellt, insbesondere Cadmium-Tellurid (Cd-Te) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS).

Da sie extrem dünn, leicht und flexibel sind, können Solarzellen der zweiten Generation auf Fenster, Oberlichter, Dachziegel und alle Arten von "Substraten" (Trägermaterialien) wie Metalle, Glas und Polymere (Kunststoffe) laminiert werden. Was die Zellen der zweiten Generation an Flexibilität gewinnen, opfern sie an Effizienz: Die klassischen Solarzellen der ersten Generation sind immer noch besser als sie. Während also eine erstklassige Zelle der ersten Generation einen Wirkungsgrad von 15-20 % erreichen kann, kommt amorphes Silizium kaum über 7 % hinaus, die besten Cd-Te-Dünnschichtzellen erreichen nur etwa 11 % und CIGS-Zellen kommen nicht über 7-12 % hinaus. Das ist einer der Gründe, warum die Zellen der zweiten Generation trotz ihrer praktischen Vorteile bisher relativ wenig Einfluss auf den Solarmarkt genommen haben.

Dritte Generation

Organische Polymer-Solarzellen der dritten Generation.
Die neuesten Technologien vereinen die besten Eigenschaften von Zellen der ersten und zweiten Generation. Wie die Zellen der ersten Generation versprechen sie relativ hohe Wirkungsgrade (30 Prozent oder mehr). Wie bei den Zellen der zweiten Generation ist es wahrscheinlicher, dass sie aus anderen Materialien als "einfachem" Silizium hergestellt werden, z. B. aus amorphem Silizium, organischen Polymeren (organische Photovoltaik, OPV), Perowskitkristallen und mit Mehrfachübergängen (aus mehreren Schichten verschiedener Halbleitermaterialien). Im Idealfall werden sie dadurch billiger, effizienter und praktischer als Zellen der ersten oder zweiten Generation. Derzeit liegt der Weltrekordwirkungsgrad für Solarzellen der dritten Generation bei 28 Prozent, der im Dezember 2018 von einer Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle erreicht wurde.

Wie viel Strom können wir mit Solarzellen erzeugen?

Die gesamte Sonnenenergie, die die Erdoberfläche erreicht, könnte den bestehenden globalen Energiebedarf 10.000 Mal decken. Theoretisch eine riesige Menge. Vergessen wir für einen Moment die Solarzellen und betrachten wir nur das reine Sonnenlicht. Auf jeden Quadratmeter der Erde, der direkt auf die Sonne gerichtet ist, treffen bis zu 1000 Watt rohe Sonnenenergie. Das ist die theoretische Leistung der direkten Mittagssonne an einem wolkenlosen Tag - wenn die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Erdoberfläche treffen und die maximale Beleuchtungsstärke oder Einstrahlung, wie es technisch heißt, erreichen.

In der Praxis, nachdem wir die Neigung des Planeten und die Tageszeit korrigiert haben, erreichen wir in typischen nördlichen Breitengraden bestenfalls 100-250 Watt pro Quadratmeter (selbst an einem wolkenlosen Tag). Das entspricht etwa 2-6 kWh pro Tag. Multipliziert man dies mit der Produktion eines ganzen Jahres, erhält man zwischen 700 und 2500 kWh pro Quadratmeter (700-2500 Stromeinheiten). Heißere Regionen haben eindeutig ein viel größeres Solarpotenzial: Der Nahe Osten beispielsweise erhält jedes Jahr etwa 50-100 % mehr nutzbare Sonnenenergie als Europa.

Leider haben typische Solarzellen nur einen Wirkungsgrad von etwa 15 %, so dass wir nur einen Bruchteil dieser theoretischen Energie einfangen können: vielleicht 4-10 Watt pro Quadratmeter. Deshalb müssen Solarmodule so groß sein: Die Menge an Energie, die man erzeugen kann, hängt direkt davon ab, wie viel Fläche man mit Zellen bedecken kann. Eine einzelne Solarzelle (etwa so groß wie eine Compact Disc) kann etwa 3-5 Watt erzeugen; ein typisches Solarmodul, das aus einer Anordnung von etwa 40 Zellen (5 Reihen zu je 8 Zellen) besteht, könnte etwa 100-300 Watt erzeugen; mehrere Solarmodule, die jeweils aus etwa 3-4 Modulen bestehen, könnten also ein absolutes Maximum von mehreren Kilowatt erzeugen - wahrscheinlich gerade genug, um den Spitzenstrombedarf eines Hauses zu decken.