Aufbau, Funktion, Herstellung und Wirkungsgrad von Solarzellen Photovoltaik Solarzellen-Technologie erklärt 2024

Solarzellen sind das Herzstück jeder Photovoltaikanlage, denn sie wandeln Sonnenlicht in Strom um. Je nach Herstellungsverfahren ergeben sich verschiedene Typen von Solarzellen. Diese werden anschließend miteinander verbunden und zu Solarmodulen zusammengebaut. In diesem Artikel erklären wir alles rundum die Solarzellen-Technologie.

Welche Technologie steckt hinter Photovoltaik Solarzellen?

Solarzellen-Technologie erklärt - Das wichtigste in Kürze

Solarzellen sind das zentrale Bauelement für die Erzeugung von Solarstrom.

  • Aufbau: Solarzellen bestehen aus Halbleitern, hauptsächlich aus Silizium
  • Funktion: Der Solarstrom entsteht in der Raumladungszone, auch p-n-Übergang genannt
  • Wirkungsgrad: Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von bis zu 24 %

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Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle ist ein elektronisches Element, das Sonnenenergie in Strom umwandelt. Sie sind meist 156 x 156 Millimeter groß und somit die kleinsten Bauteile einer Solaranlage. Solarzellen nutzen den photovoltaischen Effekt, um aus Photonen Solarstrom zu erzeugen.

Wie ist die Solarzellen-Technologie aufgebaut?

Solarzellen bestehen aus Halbleitern wie Silizium, die in zwei Schichten aufgeteilt sind. Die n-Schicht ist negativ dotiert und hat freie Elektronen, während die p-Schicht positiv dotiert ist und keine Elektronen enthält. Zwischen beiden Halbleiterschichten entsteht eine sogenannte Raumladungszone, auch als p-n-Übergang bekannt. Damit ein Stromfluss entsteht, befinden sich an beiden Enden jeweils negative oder positive Elektroden. Auf die Solarzellen kommt eine Antireflexionsschicht drauf.

Wie funktioniert die Solarzellen-Technologie?

Die Solarzellen-Technologie macht Gebrauch des photovoltaischen Effekts für die Stromerzeugung. Dieser entsteht, wenn Sonnenstrahlung auf die Grenzschicht zwischen diesen p- und n-Schichten trifft. Hier lösen sich die Atome aus der n-Schicht ab und wandern aufgrund von Anziehungskräften in die p-Schicht. Positiv geladene "Löcher" bleiben dabei zurück. Diese Löcher wandern dann in die n-Schicht, während sich die Elektronen bewegen.

An der Grenzfläche wandern Elektronen aus der n-dotierten Schicht in die p-dotierte Schicht und bilden die Grenzschicht und ein elektrisches Feld. Die Stärke der Sonneneinstrahlung bestimmt die Freisetzung von Elektronen. Einfacher ausgedrückt: Mehr Licht bedeutet mehr Strom, den die Solarzelle produziert.

Die Elektronen werden über Metallkontakte auf der n- und p-Seite der Solarzelle abgeleitet. Diese Kontakte bestehen in der Regel aus Aluminium oder Silber. Die Elektronen wandern dann über einen leitenden Pfad zum gegenüberliegenden Pol und erzeugen einen elektrischen Stromfluss.

Welche Solarzellen-Technologien gibt es?

Solarzellen werden nach dem Material der Halbleiterschichten eingeteilt. Sie können auch nach der Dicke des Materials (Dick- oder Dünnschichtzellen) und der verwendeten Kristallstruktur unterschieden werden. Die meist bekannten und genutzten Zelltypen bestehen aus monokristallinen, polykristallinen und amorphen Silizium.

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem Silizium-Einkristall. Diese Struktur erlaubt es den Elektronen freier zu bewegen, weswegen sie die effizientesten aller Zelltypen sind. Sie haben eine dunkelblau bis schwarze Farbe und werden meist in Photovoltaikanlagen für Einfamilienhäuser verwendet. Ihr Marktanteil liegt bei rund 84 Prozent.

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen haben mehrere Kristallfragmente, was zu Leistungsverlusten führt. Infolgedessen ist ihr Wirkungsgrad im Vergleich zu monokristallinen Zellen geringer. Sie sind jedoch billiger in der Herstellung und haben das beste Preis-Leistungs-Verhältnis.

Dünnschichtsolarzellen

Dünnschichtsolarzellen werden aus amorphen Silizium hergestellt. Es handelt sich nicht um Ein- oder Mehrkristalle, sondern um aufgedampftes Material. Diese Zellen sind dünn und flexibel, und sie sind billiger als mono- und polykristalline Solarzellen. Sie haben jedoch einen geringeren Wirkungsgrad, weswegen sie nur selten zur Anwendung kommen.

Doch Dünnschichtzellen verwenden neben amorphen Silizium auch andere Ausgangsmaterialien, darunter Cadmium-Tellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen. Nach letzteren sind die CIGS- und CIS-Solarzellen benannt. Diese Zellen haben einen Wirkungsgrad, der mit dem von polykristallinen Dickschichtzellen vergleichbar ist. Allerdings haben sie auch Nachteile. Indium und Gallium, die in diesen Zellen verwendet werden, sind selten und schwer zu beschaffen. Außerdem ist die Materialverbindung in diesen Zellen giftig, was die Entsorgung erschwert. Daher werden diese Zellen trotz ihres hohen Wirkungsgrads nur selten in Aufdachanlagen eingesetzt.

Welcher Zelltyp sich am besten für den einzelnen Anwendungsfall eignet, beantwortet ihnen am besten ein Fachunternehmen. Meist fällt die Entscheidung zwischen Monokristalline oder Polykristalline Solarzellen.

Welche Solarzellen-Technologie nutzen Einfamilienhäuser?

Einfamilienhäuser nutzen überwiegend monokristalline Solarzellen. Der Grund dafür ist recht einfach: Sie erreichen einen höheren Wirkungsgrad und erzeugen mehr Strom auf derselben Fläche. Da Einfamilienhäuser nur über eine begrenzte Dachfläche für die Installation einer Solaranlage verfügen, fällt die Entscheidung oft zu Gunsten von monokristallinen Solarzellen.

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Welche Solarzellen-Technologie nutzen Balkonkraftwerke?

Gleiches gilt für Balkonkraftwerke, auch sie nutzen überwiegend monokristalline Solarzellen, weil sie effizienter sind. Zwar dürfen Balkonkraftwerke nur eine begrenzte Nennleistung haben (ab 1. Januar 2024 800 Watt Peak), dennoch gilt es die geringe verfügbare Fläche maximal zu nutzen.

Wie werden Solarzellen hergestellt?

Die verschiedenen Typen von Solarzellen-Technologie entstehen durch unterschiedliche Herstellungsverfahren.

  • Monokristalline Solarzellen: Für die Gewinnung eines Einkristalls wird das Silizium vorerst geschmolzen und gereinigt.  Ein großer Einkristall wird auf einen Stab aus der Schmelze gezogen, was technisch sehr anspruchsvoll ist. Anschließend werden aus dem Einkristall dünne Scheiben, so genannte Wafer, geschnitten. 
  • Polykristalline Solarzellen: Sind einfacher herzustellen, da sie keinen Einkristall benötigen. Die Schmelze wird in einen Tiegel überführt oder direkt darin geschmolzen. Im Tiegel kühlt die Schmelze ab und bildet Kristalle. Anschließend werden Barren oder Quader aus dem Block gesägt. Diese Barren werden zur Herstellung der polykristallinen Wafer verwendet. Die Wafers werden anschließend dotiert und mit Elektroden ausgestattet, sodass eine Solarzelle entsteht.
  • Dünnschichtsolarzellen: Bei automatisierten Verfahren werden einzelne Zellen durch das Aufbringen dünner Schichten aus gasförmigem amorphem Silizium oder anderen Halbleitermaterialien abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt direkt auf ein Trägermaterial wie Glas oder Metallfolie. Es gibt keine sichtbaren Leiterbahnen.

Silizium als Rohstoff

Silizium ist in der Natur reichlich vorhanden, aber es kommt nicht in reiner Form vor. Man findet es in Verbindungen wie Silikate, Sand oder Quarz. Diese natürlichen Stoffe können nicht für die Photovoltaik verwendet werden. Sie müssen durch komplexe Verfahren gereinigt werden, um das reinste Silizium für die weitere Verarbeitung zu erhalten. Hochreines Silizium ist notwendig, um den Stromfluss in der Solarzelle zu gewährleisten und Störungen zu vermeiden. Für die Herstellung von Solarzellen-Technologie ist ein Reinheitsgrad von über 99,99 Prozent notwendig.

Welchen Wirkungsgrad erreichen die verschiedenen Solarzellen-Technologien?

Den höchsten Wirkungsgrad erreichen monokristalline Solarzellen, die bis zu 24 Prozent der aufgenommen Sonnenstrahlung in Strom umwandeln. Polykristalline Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 15 bis 20 Prozent, während Dünnschicht-Solarzellen nur bis zu 13 Prozent erreichen. CdTe- und CIGS-Solarzellen erreichen Wirkungsgrade zwischen 16 und 21 Prozent, sind derzeit auf dem Markt allerdings von keiner Bedeutung. 

ZelltypWirkungsgrad
Monokristalline Solarzellen (c-Si)20 – 24 %
Polykristalline Solarzellen (mc-Si)15 - 20 %
Dünnschicht-Solarzellen (a-Si)8 - 13 %
CdTe-Solarzellen16 - 19 %
CIGS-Solarzellen17 - 21 %

Was kosten Solarzellen?

Solarzellen sind nicht einzeln erhältlich, weswegen ein Preis pro Solarzelle schwer bezifferbar ist. Die Kosten stark von der Solarzellen-Technologie ab. Monokristalline Solarzellen sind aufgrund der hohen Wirkungsgrads die teuersten, gefolgt der polykristallinen Solarzellen. Die günstigsten sind die Dünnschicht-Solarzellen. Im Allgemeinen haben höherpreisige Solarzellen einen höheren Wirkungsgrad.

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Wie lange hält eine Solarzelle?

Solarzellen halten durchschnittlich um die 30 Jahre lang. Einige Solarzellen erreichen sogar eine Lebensdauer von bis zu 40 Jahren. Dabei verlieren Solarzellen aufgrund der Degradation zunehmend an Leistung. Solarzellen arbeiten also auch nach 30 bis 40 Jahren noch weiter, auch wenn sie einen leichten Leistungsabfall aufweisen.

Degradation der Solarzellen-Technologie

Solarzellen verschlechtern sich mit der Zeit und verlieren einen kleinen Teil ihrer Effizienz. Dies ist vor allem auf die Erhitzung der Solarzellen zurückzuführen. Die Hersteller gehen von einem Leistungsverlust von 0,3 bis 0,5 Prozent pro Jahr aus, das Fraunhofer ISE schätzt ihn auf etwa 0,15 Prozent. Monokristalline Zellen sind aufgrund ihrer schwarzen Farbe etwas stärker von der Degradation betroffen, aber der Unterschied zu polykristallinen Zellen ist minimal.

Wie nachhaltig ist die Solarzellen-Technologie?

Die Solarzellen-Technologie hat im Vergleich zu anderen Energiequellen eine geringe Umweltbelastung. Während ihrer Nutzung werden keine Emissionen freigesetzt. Allerdings verbrauchen die Herstellung und Entsorgung von Solarmodulen Ressourcen und verursachen Abfall. In Deutschland amortisieren sich der ökologische Fußabdruck von Solarzellen innerhalb eines Jahres.

Nicht nur ist Photovoltaik eine nachhaltige Art und Weise der Stromerzeugung, sie lohnt sich aufgrund der hohen Strompreisen auch wirtschaftlich. Ein Fachunternehmen hilft, den ökologischen Fußabdruck sowie das Einsparpotenzial von Photovoltaik ersichtlich zu machen.

Welche Solarzellen-Technologie nutzen Solarmodule?

Solarmodule nutzen entweder Vollzellen oder Halbzellen. Beide Arten haben ihre Vorteile und Nachteile. 

  • Die am häufigsten verwendeten Module sind die klassischen Vollzellenmodule. Sie haben 60 oder 72 in Reihe geschaltete Solarzellen. Diese Zellen sind in 3 Strings aufgeteilt, die jeweils durch eine Bypass-Diode geschützt sind. Jedes Modul hat 3x20 oder 3x24 in Reihe geschaltete Solarzellen.
  • Halbzellenmodule nutzen entweder 120 oder 144 Halbzellen. Jedes Modul hat sechs Stränge mit 20 Halbzellen. Die obere Hälfte hat drei Stränge mit 20 Halbzellen, die parallel zur unteren Hälfte geschaltet sind. Diese Verbindung wird auf der Stromschiene in der Mitte des Moduls hergestellt. Dadurch wird das Modul in zwei identische Hälften geteilt. Jede Hälfte verfügt über 3 Bypass-Dioden, die jeweils 20 Halbzellen schützen.

Welche neuen Solarzellen-Technologien gibt es?

Silizium-Solarzellen haben sich auf dem Markt etabliert, ihr Wirkungsgrad ist jedoch physikalisch begrenzt. Aus diesem Grund wurden leistungssteigernde Technologien wie die PERC- oder TOPCon-Technologie entwickelt. Perowskit- und Tandem-Solarzellen sind vielversprechende neue Solarzellen-Technologien, die jedoch noch nicht marktreif sind.

Bifaziale Solarzelle

Bifaciale Solarzellen sind Zellen, die Licht sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite nutzen. Eine zweite Glasscheibe auf der Rückseite des PV-Moduls lässt indirektes Licht zu den Zellen gelangen. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Moduls erhöht.

PERC-Solarzellen

PERC-Solarzellen reflektieren das Sonnenlicht zurück in die Zelle, um die Stromerzeugung zu maximieren. Diese Technologie reduziert die Menge des verlorenen Sonnenlichts und erhöht den Ertrag pro Solarzelle. Damit lässt sich der Wirkungsgrad auf bis zu 22,5 Prozent erhöhen.

TOPCon-Solarzelle

Die TOPCon-Technologie ist eine Weiterentwicklung der PERC-Technologie. TOPCon-Solarzellen sind mit einer feinen Aluminiumoxid-Schicht auf der Oberfläche des P-Typ-Materials passiviert. Sie umfasst auch eine dünne Schicht aus ca. 2 Nanometer dickem Siliziumdioxid als Tunnelschicht und eine dünne Schicht mit hohem Polysiliziumanteil unter der Siliziumdioxid-Schicht. Damit erreichen sie einen Wirkungsgrad von bis zu 25 Prozent.

Heterojunction-Solarzellen

Bei Heterojunction-Solarzellen umhüllt eine dünne Schicht aus amorphem Silizium eine kristalline Siliziumscheibe. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Zelle auf über 24 Prozent erhöht. Sie kombinieren die Vorteile von Dicksicht- und Dünnschichtzellen. 

Tandemsolarzelle

Tandemsolarzellen bestehen aus mehreren Teilsolarzellen. Durch die Kombination mehrerer Zelltypen wird ein größerer Teil des Lichtspektrums absorbiert, als bei einzelnen Solarzellen. Die meist erforschte Kombination besteht aus unterschiedlichen Anteilen aus kristallinen, Perowskit- und Dünnschicht-Solarzellen. Zwar sind diese Art von Solarzellen noch nicht ganz marktreif, jedoch erreichen sie bereits einen Wirkungsgrad von circa 30 Prozent. Erste Hersteller wie QCells und Oxford PV stellen seit 2023 erste Tandemsolarzellen her.

Perowskit-Solarzellen

Eine Perowskit-Solarzelle ist eine Solarzelle, die das Perowskit-Mineral als Halbleiter nutzt. Sie verwendet eine Verbindung aus Blei- oder Zinnhalogenid als aktive Schicht zur Lichtsammlung. Bei der Verbindung handelt es sich in der Regel um ein hybrides organisch-anorganisches Material. Sie erreichen Wirkungsgrade von circa 30 Prozent, erreichen jedoch nur eine geringere Lebensdauer. Zudem nutzen sie Blei, dass umweltschädlich ist. Laut Prognosen sollten sie bis 2025 marktreif sein.

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Stefano Fonseca

Stefano Fonseca ist erfahrener Ingenieur für Energie und Umwelt, der seine Leidenschaft für das Schreiben zum Beruf machte. Seine Leidenschaft sind Photovoltaik und Wärmepumpen Themen. Sein Ziel ist es, technische Informationen in verständliche Texte zu verwandeln.

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