Das Wichtigste in Kürze
Eine Solarzelle ist ein elektronisches Bauteil, das Sonnenlicht direkt in Strom umwandelt. Sie besteht fast immer aus Silizium mit zwei unterschiedlich behandelten Schichten. Viele Zellen zusammen ergeben ein Solarmodul. Auf Hausdächern sind monokristalline Siliziumzellen der Standard.
- Üblicher Modulaufbau: 60 oder 72 Zellen mit drei Bypass-Dioden (PVEducation)
- Wirkungsgrad von Serienmodulen aus Silizium: 20 bis 22 Prozent, im Labor über 27 Prozent (US-Energieministerium)
- Lebensdauer: 25 Jahre und mehr bei weniger als 1 Prozent Leistungsverlust pro Jahr (US-Energieministerium)
- Typische Leistungsgarantie: 90 Prozent der Nennleistung in den ersten 10 Jahren, 80 Prozent bis zum 25. Jahr (PVEducation)
Was ist eine Solarzelle?
Eine Solarzelle ist ein elektronisches Bauteil, das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandelt. So definiert es das Lehrwerk PVEducation. Die Zelle hat keine beweglichen Teile, verbraucht keinen Brennstoff und macht kein Geräusch. Ein anderer Name ist Photovoltaikzelle.
Fast alle Solarzellen bestehen aus einem Halbleiter, meist aus Silizium. Eine einzelne Zelle ist eine dünne, dunkle Scheibe, etwa so groß wie eine Handfläche oder halb so groß. Für sich allein liefert sie wenig. Erst viele Zellen zusammen, verbunden zu einem Solarmodul, ergeben eine brauchbare Leistung.
Photovoltaik heißt die Technik. Die Solarzelle ist das Bauteil, in dem aus Licht Strom wird. Das Solarmodul ist die Platte auf dem Dach, in der viele Zellen stecken. Die Photovoltaikanlage ist alles zusammen: Module, Wechselrichter und Kabel.
Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?
Eine Solarzelle ist aus zwei Siliziumschichten aufgebaut, die zwischen Metallkontakten liegen. Die obere Schicht ist sehr dünn, die untere dick. Wo beide aufeinandertreffen, liegt die Grenzschicht, an der die eigentliche Arbeit geschieht. Fachleute nennen sie pn-Übergang.
PVEducation beschreibt die beiden Schichten so: Das Licht tritt zuerst in die obere Schicht ein. Sie ist dünn, damit die Grenzschicht dort liegt, wo das meiste Licht aufgenommen wird. Die untere Schicht ist dick genug, um den größten Teil des Lichts aufzunehmen.
| Teil | Aufgabe |
|---|---|
| Frontkontakte | Feine Metallbahnen, die den Strom auf der Vorderseite einsammeln |
| Antireflexschicht | Sorgt dafür, dass möglichst wenig Licht zurückgespiegelt wird |
| n-Schicht | Dünne Siliziumschicht mit zusätzlichen Elektronen |
| Grenzschicht | Hier entsteht das elektrische Feld, das die Ladungen trennt |
| p-Schicht | Dicke Siliziumschicht mit fehlenden Elektronen, nimmt das meiste Licht auf |
| Rückkontakt | Metallschicht, die den Stromkreis auf der Rückseite schließt |
Die dunkle Farbe der Zelle kommt von der Antireflexbeschichtung. Ohne sie würde blankes Silizium einen großen Teil des Lichts zurückwerfen. Wie viel dabei verloren geht, steht im Beitrag zu Reflexionsverlusten.
Wie funktioniert eine Solarzelle?
Eine Solarzelle funktioniert, indem Licht im Silizium elektrische Ladungen freisetzt und ein eingebautes elektrisches Feld diese Ladungen in eine Richtung lenkt. PVEducation teilt den Vorgang in vier Schritte.
- Licht setzt Ladungen freiLichtteilchen treffen auf Siliziumatome und lösen Elektronen aus ihrer Bindung.
- Ladungen werden gesammeltDas Feld an der Grenzschicht schiebt die Elektronen zur Vorderseite. Es entsteht ein Strom.
- Spannung baut sich aufZwischen Vorder- und Rückseite entsteht eine elektrische Spannung.
- Strom leistet ArbeitÜber den äußeren Stromkreis fließen die Elektronen durch den Verbraucher zurück zur Rückseite.
Warum zwei verschiedene Schichten?
Ohne die zwei Schichten würden die freigesetzten Elektronen sofort wieder an ihren Platz zurückfallen. Damit sie in eine Richtung wandern, wird das Silizium dotiert. Dotieren heißt laut PVEducation, die Zahl der Elektronen und der Elektronenlücken im Halbleiter gezielt zu verändern.
In die obere Schicht kommt Phosphor. Ein Phosphoratom hat ein Elektron mehr als Silizium, die Schicht hat also Elektronen übrig. Man nennt sie n-Schicht, n für negativ. In die untere Schicht kommt Bor. Es hat ein Elektron weniger und hinterlässt eine Lücke. Das ist die p-Schicht, p für positiv. An der Grenze gleichen sich beide Seiten ein Stück weit aus, und es bleibt ein elektrisches Feld stehen. Dieses Feld ist der Antrieb der Solarzelle.
Den physikalischen Hintergrund vertieft der Beitrag zum Photoeffekt. Welche Spannung und welcher Strom dabei herauskommen, erklären die Beiträge zu Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom.
Wie wird aus Solarzellen ein Solarmodul?
Aus Solarzellen wird ein Solarmodul, indem viele Zellen elektrisch verbunden und wetterfest verpackt werden. PVEducation beschreibt ein Modul als eine Anzahl verbundener Solarzellen, die zu einer einzigen, langlebigen und stabilen Einheit eingekapselt sind. Am häufigsten sind Module mit 60 oder 72 Zellen und drei Bypass-Dioden.
Verbunden werden die Zellen hintereinander, in einer Reihenschaltung. Der Grund ist die Spannung: Eine einzelne Zelle liefert weniger als ein Volt. Hintereinandergeschaltet addieren sich die Spannungen aller Zellen. Die Bypass-Dioden leiten den Strom um, wenn ein Teil des Moduls im Schatten liegt.
Die Verpackung hat laut PVEducation zwei Aufgaben: Sie schützt die Zellen vor mechanischen Schäden und hält Feuchtigkeit von den elektrischen Kontakten fern. Vorn liegt gehärtetes Glas mit wenig Eisen, das besonders viel Licht durchlässt. Die Zellen sind in eine Kunststofffolie eingebettet, meist aus EVA. Das Paket wird bei 150 Grad verschmolzen. Hinten schließt eine dünne Kunststofffolie ab, das Backsheet, oder eine zweite Glasscheibe. Den Rand bildet ein Rahmen aus Aluminium.
Bei bifazialen Modulen müssen Vorder- und Rückseite lichtdurchlässig sein, weil die Zellen auch Licht von hinten nutzen.
Welche Arten von Solarzellen gibt es?
Die wichtigsten Arten von Solarzellen sind monokristalline und polykristalline Siliziumzellen sowie Dünnschichtzellen. Dazu kommen jüngere Techniken, die noch am Anfang stehen. Die Einordnung in der Tabelle folgt dem US-Energieministerium.
| Art | Material | Stärke | Schwäche | Einsatz |
|---|---|---|---|---|
| Monokristallin | Silizium, ein Kristall | Hoher Wirkungsgrad, langlebig | Aufwendige Herstellung | Standard auf Hausdächern |
| Polykristallin | Silizium, viele Kristalle | Einfachere Herstellung | Geringerer Wirkungsgrad | Ältere Anlagen |
| Dünnschicht CdTe | Cadmiumtellurid | Günstig herzustellen | Wirkungsgrad unter Silizium | Große Solarparks |
| Dünnschicht CIGS | Kupfer, Indium, Gallium, Selen | Hohe Wirkungsgrade im Labor | Schwer in Serie zu fertigen | Sonderanwendungen |
| Perowskit | Kristalle mit Perowskit-Struktur | Einfach herzustellen | Muss im Freien erst dauerhaft halten | Forschung, erste Produkte |
| Organisch | Kunststoffe | Biegsam, leicht | Etwa halb so effizient wie Silizium | Nischen |
| Mehrfachzellen | Mehrere Halbleiter übereinander | Wirkungsgrade über 45 Prozent | Sehr teuer | Raumfahrt |
Für ein Wohnhaus ist die Auswahl einfach: Angeboten werden fast nur noch monokristalline Module. Die Unterschiede zwischen den Kristallarten erklären die Beiträge zu monokristallinen Solarzellen und polykristallinen Solarzellen. Mehr zu den anderen Techniken steht unter Dünnschichtmodule und Perowskit-Solarzellen.
Innerhalb der monokristallinen Zellen gibt es verschiedene Bauweisen mit Namen wie PERC, TOPCon oder Heterojunction. Sie unterscheiden sich darin, wie Vorder- und Rückseite beschichtet und kontaktiert sind. Das Grundprinzip aus zwei Schichten und einer Grenzschicht ist bei allen gleich.
Wirkungsgrad und Lebensdauer von Solarzellen
Solarmodule aus Siliziumzellen wandeln in der Serienfertigung 20 bis 22 Prozent des Sonnenlichts in Strom um. Im Labor erreichen monokristalline Zellen mehr als 27 Prozent. Beide Werte nennt das US-Energieministerium. Der Wirkungsgrad sagt, welcher Anteil der eingestrahlten Energie als Strom herauskommt.
Ein Modul erreicht nie ganz den Wert seiner Zellen. Zwischen den Zellen, am Rand und unter dem Rahmen liegt Fläche, die keinen Strom liefert. Dazu kommen Verluste im Glas und in den Verbindungen. Den Unterschied erklären die Beiträge zu Zellwirkungsgrad und Modulwirkungsgrad.
Solarzellen altern langsam. Laut US-Energieministerium verlieren Module aus kristallinem Silizium weniger als 1 Prozent Leistung pro Jahr und halten 25 Jahre und länger. Diesen schleichenden Verlust nennt man Degradation. Eine typische Garantie sichert nach PVEducation 90 Prozent der Nennleistung für die ersten 10 Jahre und 80 Prozent bis zum 25. Jahr zu.
Teilen Sie die Leistung des Moduls durch seine Fläche und durch 1.000 Watt pro Quadratmeter, die Einstrahlung im Normtest. Beispiel: Ein Modul mit 400 Watt und 1,9 Quadratmetern kommt auf 400 geteilt durch 1.900, also rund 21 Prozent.
Worauf sollten Sie beim Modulkauf achten?
Beim Modulkauf zählen vier Angaben im Datenblatt mehr als der Name der Zelltechnik. Sie zeigen, was die Zellen auf Ihrem Dach leisten und wie lange.
- Modulwirkungsgrad: Je höher, desto mehr Leistung passt auf Ihr Dach. Bei viel Platz ist ein Spitzenwert weniger wichtig als der Preis.
- Temperaturkoeffizient: Solarzellen liefern bei Hitze weniger. Der Temperaturkoeffizient sagt, wie stark. Je näher an null, desto besser.
- Garantien: Die Leistungsgarantie sichert die Leistung über die Jahre zu, die Produktgarantie deckt Fehler am Modul ab. Vergleichen Sie beide.
- Nennleistung und Toleranz: Die Nennleistung gilt für den Normtest. Eine Leistungstoleranz, die nur nach oben abweichen darf, schützt vor Minderleistung.
Für den Ertrag ist außerdem entscheidend, was um die Zellen herum passiert. Schatten auf wenigen Zellen bremst das ganze Modul, das beschreibt der Beitrag zur Verschattung. Wie gut die Anlage als Ganzes arbeitet, zeigt die Performance Ratio.
Häufige Fragen zu Solarzellen
Was ist eine Solarzelle?
Eine Solarzelle ist ein elektronisches Bauteil, das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandelt. Sie besteht aus einem Halbleiter, fast immer Silizium, mit zwei unterschiedlich behandelten Schichten. Viele Solarzellen zusammen bilden ein Solarmodul.
Was ist der Unterschied zwischen Solarzelle und Solarmodul?
Die Solarzelle ist das einzelne stromerzeugende Bauteil. Ein Solarmodul besteht aus vielen miteinander verbundenen Solarzellen, die zwischen Glas und Folie eingebettet und von einem Rahmen gehalten werden. Am häufigsten sind laut dem Lehrwerk PVEducation Module mit 60 oder 72 Zellen.
Was ist der Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarzellen?
Photovoltaik ist der Name der Technik, mit der aus Licht Strom gewonnen wird. Die Solarzelle ist das Bauteil, in dem das passiert. Eine Photovoltaikanlage besteht aus Solarmodulen mit vielen Solarzellen, einem Wechselrichter und der Verkabelung.
Wie funktioniert eine Solarzelle einfach erklärt?
Licht fällt in die Zelle und setzt dort elektrische Ladungen frei. Ein elektrisches Feld im Inneren, das durch zwei unterschiedlich behandelte Siliziumschichten entsteht, schiebt die Ladungen in eine Richtung. Über Metallkontakte fließen sie als Strom ab.
Welche drei Arten von Solarzellen gibt es?
Die drei bekanntesten Arten sind monokristalline Solarzellen, polykristalline Solarzellen und Dünnschichtzellen. Monokristalline Zellen sind auf Hausdächern der Standard. Daneben gibt es jüngere Techniken wie Perowskit-Zellen und organische Solarzellen.
Wie viel Volt liefert eine Solarzelle?
Eine einzelne Siliziumzelle liefert weniger als ein Volt. Deshalb werden in einem Modul viele Zellen hintereinandergeschaltet, damit sich ihre Spannungen addieren. Die Spannung hängt kaum von der Größe der Zelle ab, wohl aber der Strom.
Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?
Module aus Siliziumzellen erreichen in der Serienfertigung laut US-Energieministerium 20 bis 22 Prozent. Monokristalline Zellen kommen im Labor unter idealen Bedingungen auf mehr als 27 Prozent. Der Rest des Lichts wird zu Wärme oder zurückgeworfen.
Wie lange hält eine Solarzelle?
Module aus kristallinen Siliziumzellen halten laut US-Energieministerium 25 Jahre und länger. Ihre Leistung nimmt dabei um weniger als 1 Prozent pro Jahr ab. Eine typische Garantie sichert nach PVEducation 80 Prozent der Nennleistung bis zum 25. Jahr zu.
Wie viele Solarzellen brauche ich für ein Einfamilienhaus?
Gerechnet wird nicht in Zellen, sondern in Modulen. Wie viele Module nötig sind, hängt von Ihrem Stromverbrauch und der Dachfläche ab. Jedes Modul enthält meist 60 oder 72 Zellen oder die doppelte Zahl halbierter Zellen.
Fazit
Eine Solarzelle ist im Kern einfach: zwei Siliziumschichten, eine Grenzschicht dazwischen und Kontakte auf beiden Seiten. Licht setzt Ladungen frei, das Feld an der Grenzschicht lenkt sie, und über die Kontakte fließt Strom. An diesem Prinzip hat sich seit den ersten Zellen nichts geändert.
Für Ihr Dach kommen praktisch nur monokristalline Siliziumzellen infrage. Die Technik ist ausgereift und hält Jahrzehnte. Vergleichen Sie beim Kauf Wirkungsgrad, Temperaturkoeffizient und Garantien, dann haben Sie das Wesentliche im Blick.
Quellen und Methodik
Aufbau, Funktionsschritte, Dotierung und Modulaufbau stammen aus dem Lehrwerk PVEducation von Christiana Honsberg und Stuart Bowden. Wirkungsgrade, Lebensdauer und die Einordnung der Zellarten stammen vom US-Energieministerium. Die Skizzen sind eigene, vereinfachte Darstellungen, das Rechenbeispiel zum Wirkungsgrad ist eine eigene Rechnung. Solar.red hat keine Zellen gemessen.
- PVEducation (Honsberg und Bowden): Solar Cell Structure - Definition, Funktionsschritte, Schichten der Zelle
- PVEducation (Honsberg und Bowden): Module Structure - Zellenzahl je Modul, Bypass-Dioden, Verkapselung, Garantie
- PVEducation (Honsberg und Bowden): Module Materials - Glas, Einbettfolie, Rückseite, Rahmen
- US-Energieministerium: Crystalline Silicon Photovoltaics Research - Wirkungsgrade, Lebensdauer, Leistungsverlust
- US-Energieministerium: Solar Photovoltaic Cell Basics - Arten von Solarzellen
Hinweis: Dieser Beitrag dient der unabhängigen Information und ersetzt keine Planung durch einen Fachbetrieb. Laborwerte weichen von Serienprodukten ab, maßgeblich für ein konkretes Modul ist das Datenblatt. Solar.red steht in keiner Verbindung zu den genannten Einrichtungen. Über die Anzeigen auf dieser Seite werden Anfragen an Fachbetriebe vermittelt, dafür erhält Solar.red eine Vergütung.
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