Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um. Dabei nutzen sie den bereits 1839 vom französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckten Photoeffekt. Dieser beschreibt das Phänomen, dass Lichtteilchen (Photonen) Elektronen aus ihren festen Bindungen herausschlagen und aus einer Metalloberfläche herauslösen können. Hier erfahren Sie alles Wichtige zum Aufbau, zur Funktionsweise und zum Wirkungsgrad von Solarzellen.
Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?
Eine herkömmliche Solarzelle besteht aus zwei Siliziumschichten: einer oberen, die zusätzlich etwas Phosphor enthält (n-Schicht), und einer unteren, in der sich neben dem Silizium ein geringer Anteil Bor befindet (p-Schicht).
Da Silizium nur mit vier Elektronen eine Bindung eingehen kann, Phosphor jedoch mit fünf, bleibt bei jedem Phosphoratom ein relativ frei bewegliches Elektron übrig. Bor wiederum kann nur drei Bindungen eingehen, wodurch in dieser Schicht sogenannte Elektronenlöcher entstehen. Diese sind ebenfalls relativ frei beweglich. Für sich allein genommen sind beide Siliziumschichten elektrisch neutral.
Am Übergang zwischen den beiden Schichten wandern freie Elektronen von der n- in die p-Schicht, wo sie die Elektronenlöcher füllen. Dadurch verlieren die beiden Schichten in diesem Bereich ihre elektrische Neutralität und es entsteht ein elektrisches Feld.
Wie funktioniert eine Solarzelle?
Trifft Sonnenlicht auf die Vorderseite der Solarzelle, kann es durch den Photoeffekt zusätzliche freie Elektronen und Elektronenlöcher im Halbleitermaterial erzeugen. Die negativen Elektronen wandern zu ortsfesten positiven Raumladungen in der n-Schicht, die positiven Löcher zu negativen Raumladungen in der p-Schicht.
Durch die Ladungstrennung entsteht zwischen der Vorder- und der Rückseite der Solarzelle eine elektrische Spannung. Diese lässt sich an den Metallkontakten abgreifen und in Strom umwandeln, der zu Verbrauchern oder zu einem Speicher geleitet wird.
Welche Arten von Solarzellen gibt es?
Für private Photovoltaik-Anlagen sind vor allem folgende Solarzellentypen interessant:
Monokristalline Solarzellen
Diese dunkelblauen bis schwarzen Solarzellen bestehen aus einkristallinem Silizium. Sie sind die effektivste Variante bei direkter Sonneneinstrahlung. Aufgrund der relativ aufwendigen Produktion sind sie jedoch vergleichsweise teuer.
Polykristalline Solarzellen
Auch diese Solarzellen werden aus Silizium hergestellt, das jedoch nicht so rein ist wie beim monokristallinen Typ. Ihr Aufbau unterscheidet sich dahingehend von der einkristallinen Zelle, dass sie sich aus vielen kleinen Kristallen zusammensetzen. Aufgrund der weniger aufwendigen Modul-Produktion und des wegen der quadratischen Form geringeren Abfalls sind diese Zellen preiswerter und sorgen zugleich für eine bessere Umweltbilanz der Photovoltaik-Anlage.
Dünnschichtzellen
Hierbei handelt es sich um amorphe Zellen. Als Ausgangsstoffe finden beispielsweise amorphes Silizium, Cadmium-Tellurid oder Gallium-Arsenid Verwendung. Diese Werkstoffe werden mit anderen Materialien vermischt und als sehr dünne Schicht auf ein Trägermaterial (z. B. Glas) aufgedampft. Die Wirkungsgrade sind deutlich geringer als bei den kristallinen Solarzellen. Dank des relativ unkomplizierten Produktionsprozesses fallen aber auch die Preise niedriger aus.
CIGS-Zellen
Bei dieser speziellen Art von Dünnschichtmodulen dient der Werkstoff Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) als Absorbermaterial. Der mittlere Wirkungsgrad übertrifft den polykristalliner Solarzellen. Jedoch sind die Produktionskosten und damit auch der Preis deutlich höher.
Welchen Wirkungsgrad erreichen die verschiedenen Solarzellentypen?
Den höchsten Wirkungsgrad erzielen derzeit monokristalline Siliziumzellen mit circa 19 Prozent. Zellen aus polykristallinem Silizium liegen momentan bei rund 15 Prozent. Deutlich darunter bewegen sich herkömmliche Dünnschichtzellen, die nur fünf bis sieben Prozent erreichen.
Die Wirkungsgrade von CIGS-Solarzellen belaufen sich auf durchschnittlich 17 Prozent. Damit übertreffen sie polykristalline Zellen. Sie unterliegen jedoch einer stärkeren altersbedingten Leistungsminderung, wodurch der Vorteil der höheren Effektivität im Laufe der Zeit verloren geht.
Als Halbleiter der nächsten Generation gelten Metallhalogenid-Perowskite. Im Mai 2023 erreichten vom KAUST Photovoltaics Laboratory in Saudi-Arabien entwickelte Perowskit-Solarzellen einen Rekord-Wirkungsgrad von 33,7 Prozent. Wann es die Perowskit-Solarzelle zu kaufen gibt, ist bislang allerdings nicht abzusehen.
Die größten Hersteller für PV-Module
| Hersteller | Herkunftsland | Preissegment |
| Q CELLS | Deutschland | Mittel |
| Viessmann | Deutschland | Hoch |
| Meyer Burger | Schweiz | Hoch |
| SunPower | USA | Hoch |
| Hyundai | Japan | Mittel |
| Ja Solar | China | Günstig |
| Trina Solar | China | Günstig |
| Huawai | China | Mittel |
| LONGi | China | Günstig |
| BYD | China | Mittel |
| Seraphim | China | Günstig |
| Sunport | China | Günstig |
Warum es sich lohnt, auf deutsche Produzenten zu setzen
Wollen Sie eine Photovoltaik-Anlage kaufen, um sich unabhängiger von den Energieversorgern zu machen, stehen Sie vor einem riesigen Angebot. Entsprechend schwierig ist die Auswahl. Regelmäßig sehr gute Bewertungen bei Qualitätstests erzielen in Deutschland produzierte Module und Speicher, die zudem eine deutlich bessere Ökobilanz bieten als die zumeist aus China stammenden Konkurrenzprodukte.
Einer Studie der in Illinois, USA, ansässigen Northwestern University zufolge ist die Umweltbelastung bei der Modul-Herstellung in China etwa doppelt so hoch wie in Europa. Hauptursache hierfür sind geringe Umwelt- und Effizienzstandards. Um den bei der Rohstoffgewinnung und der Produktion verursachten Energieaufwand zu kompensieren, müssten chinesische Photovoltaik-Anlagen bis zu einem Drittel länger betrieben werden als Module made in Germany. Der Transportaufwand ist dabei noch nicht berücksichtigt.
Das größte Manko deutscher Erzeugnisse liegt im um zehn bis 20 Prozent höheren Preis. Angesichts der Produkt- und Leistungsgarantien von 25 und mehr Jahren kann es sich aber dennoch lohnen, von hier ansässigen Herstellern zu kaufen. Ähnliches gilt für Photovoltaik-Speicher.
Auf welche Faktoren sollten Sie beim Kauf von PV-Modulen achten?
Obwohl alle Photovoltaik-Module nahezu gleich aussehen, kann sich ihr Aufbau in Details unterscheiden. Das wirkt sich zum Teil erheblich auf die Leistung aus. Vergleichen sollten Sie insbesondere die folgenden technischen Eigenschaften:
Modultechnologie
Welche PV-Technologie sich am besten eignet, hängt nicht zuletzt von Ihren örtlichen Gegebenheiten ab. Ist Ihre Dachfläche ausreichend groß, bieten Ihnen Module mit polykristallinen Zellen ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Für ein kleines Dach oder den Balkon können hingegen monokristalline Solarmodule besser sein, die zwar teurer, dafür aber auch effizienter sind.
Dünnschichtzellen sollten Sie aufgrund des geringen Ertrages nur verwenden, wenn Ihr Dach die Last kristalliner Module nicht trägt.
Nennleistung
Je höher die Nennleistung bei gleicher Modulgröße, desto mehr Leistung können Sie auf einer verfügbaren Fläche unterbringen.
Wirkungsgrad
Die Wirkungsgrade der verschiedenen Modultypen können von Anbieter zu Anbieter unterschiedlich sein. Hier gilt: Je höher, desto besser.
Temperaturkoeffizient
Dieser Wert gibt an, wie steigende Temperaturen die Leistung der Solarzellen beeinflussen. Bei kristallinen Modulen liegt der Leistungsverlust bei circa 0,45 Prozent je Grad Celsius.