Wie funktioniert eine Solarzelle

Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Materialien, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken. Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Silizium bietet den Vorteil, dass es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden ist und die Verarbeitung des Materials umweltverträglich ist. Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert". Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuß (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuß (n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielen kann. Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter p-n Übergang.

An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontakte kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird der äußere Kreis geschlossen, das heißt ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt ein Gleichstrom.
Siliziumzellen sind etwa 10 cm x 10 cm groß (seit kurzem auch 15 cm x 15 cm). Eine durchsichtige Antireflexschicht dient zum Schutz der Zelle und zur Verminderung von Reflexionsverlusten an der Zelloberfläche.

Eigenschaften einer Solarzelle

Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 Volt. Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke ansteigt. Bei einer 100 cm² großen Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1.000 Watt/m² etwa einen Wert von 2 Ampere.

Unterschiedliche Zelltypen

Je nach Kristallart unterscheidet man drei Zelltypen: monokristalline, polykristalline und amorphe Zellen. Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahren garantiert einen relativ hohen Wirkungsgrade. Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen, die anschließend in Scheiben gesägt werden. Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich grosse Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese Kristalldefekte haben einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.
Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Siliziumschicht abgeschieden, spricht man von amorphen oder Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Dicke eines menschlichen Haares: 50-100 µm), so dass die Produktionskosten allein wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind. Die Wirkungsgrade amorpher Zellen liegen allerdings noch weit unter denen der beiden anderen Zelltypen. Anwendung finden sie vor allem im Kleinleistungsbereich (Uhren, Taschenrechner) oder als Fassadenelemente.

Von der Zelle zum Modul

Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet. Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhere Spannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen höheren Strom. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt.
Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Wpeak und 100 Wpeak. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die von den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit in der Regel 10 Jahren recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Produkte.

Prinzip der Netzeinspeisu

Die Umwandlung von Sonnenlicht in    elektrische Energie wird Photovoltaik (PV) genannt. Das Prinzip wurde bereits 1839 A.E. Becquerel entdeckt. Die Energieumwandlung geschieht dabei in der Solarzelle ohne jede mechanische Geräuschentwicklung, keine schädliche Emission und nahezu keinen Verschleiß

Solarmodule auf dem Dach werden von der Sonne beschienen. Sie erzeugen aus Licht elektrischen Gleichstrom (DC). Durch Wechselrichter wird dieser Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom (AC) umgewandelt und in das allgemeine Stromnetz eingespeist.

Vor der Einspeisung in das Stromnetz zählt ein Einspeisezähler die erzeugte Menge Sonnenstrom. Diese Menge ist die Basis für die vertraglich zugesicherte Vergütung. Die Versorgung der elektrischen Verbrauchsgeräte im Haus wird über den vorhandenen Bezugszähler gewährleistet. Die Einspeisung des Sonnenstroms ist daher völlig unabhängig vom sonstigen Energieverbrauch.

Das PV Modul

Zahlreiche, in der Regel in Reihe geschaltete Solarzellen, ergeben ein PV-Modul. PV-Module werden zumeist mit mono- oder polykristallinen Siliziumzellen angeboten. Mehrere elektrisch verschaltete PV-Module werden als PV-Generator oder auch als Sonnenstromanlage bezeichnet.

Der Wechselrichter

Der Wechselrichter ist die Schnittstelle zwischen dem PV-Generator und dem allgemeinen Stromnetz. Er wandelt den in der Sonnenstromanlage gewonnenen elektrischen Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom (AC) mit 230 V und 50 Hz um. Mit einem Datenerfassungssystem ausgestattete Wechselrichter geben Informationen über den genauen Verlauf er PV-Anlagenleistung, die dann in einem Computer gespeichert, ausgewertet und dargestellt werden können.

Die Wirtschaftlichkeit

In Deutschland darf Solarstrom auf Grundlage des Erneuerbare Energien Gesetzes(EEG) in das allgemeine Stromnetz eingespeist werden. Der lokale Netzbetreiber muss den Strom abnehmen und mit einem gesetzlich vorgegebenen Betrag vergüten. Im Jahr 2003 betrug die Vergütung 45,7 Eurocent pro Kilowattstunde (kWh). Diese Vergütung wird 20 Jahre gewährleistet. Dabei zählt das Jahr nach der Inbetriebnahme der Sonnenstromanlage als erstes Berechnungsjahr. Üblicherweise wird ein gesonderter Einspeisevertrag mit dem Netzbetreiber abgeschlossen.