Wie funktionieren Solarzellen?

Solarzellen sind Bestandteile von Photovoltaikanlagen und ermöglichen die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom. Wie genau, erklären wir hier.
Wie funktionieren Solarzellen

Inhalt

Photoelektrischer Effekt

Was haben Photovoltaikanlagen mit Einstein zu tun? Tatsächlich einiges.  Sonnenlicht besteht aus Photonen. Diese Photonen haben zwar selbst keine Masse, tragen aber Energie in Form von elektromagnetischer Spannung. Wenn die Sonnenstrahlen und ihre Photonen dann auf Solarzellen treffen, entsteht innerhalb der Zellen eine elektrische Spannung. Das liegt daran, dass beim Auftreffen der Photonen auf Metalle die Elektronen aus ihrer Struktur herausgelöst und damit frei beweglich werden. Wenn hieran ein äußeres Potenzial, also eine Spannung anliegt, entsteht Strom. Dieses Prinzip nennt sich photoelektrischer Effekt, wurde von Albert Einstein 1905 erstmals gedeutet und brachte ihm später sogar den Nobel-Preis ein. 

Aufbau und Funktionsweise von Solarzellen

Photovoltaikanlagen bestehen aus mehreren Solarmodulen. Diese Module bestehen wiederum aus Photozellen bzw. Solarzellen. Diese Solarzellen sind elektronische Bauteile, die aus Schichten von Halbleitern mit unterschiedlicher Struktur bestehen. Als Halbleiter bezeichnet man Stoffe, deren Fähigkeit, elektrische Energie zu leiten, zwischen der von leitenden und nichtleitenden Stoffen liegt. 

Photovoltaiksysteme verwenden in der Regel Silizium als Halbleiter. Silizium ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente in der Erdschicht und gilt daher als unerschöpflich. Um Silizium zur Stromerzeugung aus Sonnenenergie zu nutzen, wird es zunächst kristallisiert. In diesem Prozess wird das Silizium absichtlich mit anderen chemischen Elementen verunreinigt und dann geschichtet. Dabei folgt auf eine Schicht mit wenigen Elektronen immer eine Schicht mit einem Überschuss an Elektronen. Dadurch entsteht an der Stelle, an der sich die beiden Schichten berühren, eine Grenzschicht. Hier können Elektronen hindurchwandern, um den bestehenden Mangel auszugleichen. Die Bewegung der Elektronen führt zu einem Ladungswechsel in der Solarzelle, wobei sich ein positiver und ein negativer Pol bilden. Wenn nun Photonen in diese Grenzschicht eindringen, werden die Elektronen aktiviert und wandern in Richtung des positiven Pols. Solange der Stromkreis zwischen den beiden Schichten geschlossen ist, kann dadurch Strom fließen und Lichtenergie wird in Elektrizität umgewandelt.

Solarzellen sind so leistungsfähig, dass sie sogar bei geringen Lichtmengen, wie beispielsweise an bewölkten oder regnerischen Tagen Strom erzeugen. Die Stromstärke ist allerdings immer proportional zur Lichtstärke. Das heißt, dass mehr Solarstrom produziert wird, je höher die Sonneneinstrahlung ist. Der sogenannte Wirkungsgrad der Solarzellen hängt auch von der Art der Solarzellen ab. Hier wird zwischen monokristallinen, polykristallinen und ampohren bzw. Dünnschicht-Solarzellen unterschieden. Gemessen am Wirkungsgrad sind monokristalline Solarzellen am leistungsfähigsten. 

Aufbau von Solarmodulen

Um den entstehenden Strom transportieren zu können, werden die einzelnen Solarzellen mit Leiterbahnen versehen. Eine einzelne Solarzelle erzeugt nur eine geringe Menge an elektrischem Strom. Daher werden viele Solarzellen innerhalb eines Solarmoduls zusammengeschaltet. Dabei wird die elektrische Spannung addiert.  Da die Solarzellen zerbrechlich sind, werden sie hinter Glasscheiben vor Wettereinwirkungen geschützt. Von unten wird in der Regel eine Schutzfolie über die Solarmodule gezogen. Solarmodule werden dann in verschiedenen Größen und mit verschieden hohen Leistungen angeboten.  

Nutzung des Stroms aus Solarzellen

Der von den Solarzellen in den Solarmodulen erzeugte Strom ist Gleichstrom. Dieser Gleichstrom wird von einem Wechselrichter in den netzüblichen Wechselstrom umgewandelt und kann dann entweder direkt vor Ort genutzt, in einer Batterie zur späteren Nutzung gespeichert oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. 

Wenn Sie den photoelektrischen Effekt nutzen möchten, um Ihren eigenen Strom zu erzeugen, füllen Sie einfach unser Formular aus und wir beraten Sie gerne zu Ihrer eigenen Photovoltaikanlage. 

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