Solarzelle: Aufbau, Arten & Funktion

Die Solarzelle gilt in der Photovoltaik als die wichtigste Einheit überhaupt. Immer mehr Menschen denken über die Anschaffung einer Solaranlage nach, doch nur wenige wissen, welche Rolle die Solarzelle spielt. Was Sie über Solarzellen wissen sollten, worauf Sie vor dem Kauf achten müssen und welcher Typ Solarzelle für Sie am besten geeignet ist, erfahren Sie hier.

Hier können Sie prüfen, ob sich eine PV-Anlage auch in Ihrem Fall lohnt: Solarcheck

Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle ist ein elektrisches Bauelement, das Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt. Diese Umwandlung ist das Kernprinzip der Photovoltaik und ermöglicht Millionen von Menschen die Nutzung von regenerativen Energien.

Oftmals werden die Begriffe Solarzelle, Solarpanel und Solarmodul als Synonyme verwendet. Tatsächlich besteht ein Solarpanel bzw. ein Solarmodul jedoch aus vielen kleinen quadratischen Solarzellen.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Eine Solarzelle nutzt den photoelektrischen Effekt, um Strom zu erzeugen. „Photo“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet Licht. Daraus lässt sich ableiten, dass eine Solarzelle Strom produziert, sobald Licht auf sie trifft. Denn dann setzt das Licht („die Photonen”) der Sonnenstrahlen in der Solarzelle Elektronen frei, die dann als Gleichstrom weiter zum Wechselrichter geleitet werden. Im Wechselrichter wird der Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom umgewandelt. 

Für Technikexperten: Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?

Eine Solarzelle besteht in der Regel aus drei Schichten Silizium. Die obere Schicht ist sog. „n-dotiertes“ Silizium. Das heißt, dass es negativ geladen ist. Die untere Schicht hingegen ist „p-dotiert“, also positiv geladen. In der mittleren sog. Grenzschicht werden die Elektronen abgefangen, die sich in den Schichten lösen, wenn Licht auf die Solarzelle trifft. Dies ist der oben beschriebene Gleichstrom.

Übrigens: Meistens wird für Solarzellen das Halbleitermaterial Silizium verwendet, da es  das zweithäufigste chemische Element der Erde ist. Tatsächlich sind ca. 15% der Erdmasse Silizium.

Wofür werden Solarzellen verwendet?

Solarzellen haben sich von einer Nischentechnologie zu einer vielseitigen Energielösung entwickelt, die heute in nahezu allen Lebensbereichen Anwendung findet. Photovoltaikanlagen sind wohl der bekannteste Anwendungsbereich von Solarzellen. Denn Solarenergie ist nicht nur ein wichtiger Teil der Energiewende, sondern hat auch entscheidende Vorteile für Eigenheimbesitzer, wie z. B. Unabhängigkeit von steigenden Strompreisen, langfristig niedrige Stromkosten und Umweltschutz. Im öffentlichen Raum kommen solar betriebene Straßenbeleuchtungen, Ladestationen und sogar Solar-Straßen zum Einsatz, die Energie direkt aus der Fahrbahn gewinnen. 

Aber auch abgesehen von PV-Anlagen gibt es viele Verwendungsmöglichkeiten für Solarzellen. Dazu gehören z.B. Taschenrechner, diverse Haushaltsgeräte, Parkuhren, Armbanduhren, MP3-Player und sogar Kleidungsstücke.

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Aktuell werden vier verschiedene Arten von Solarzellen für die Privatperson angeboten, mit denen Sie Strom selbst erzeugen können. Diese vier Möglichkeiten haben jeweils andere Vor- und Nachteile, die Ihnen im Folgenden vorgestellt werden.

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Andere Arten von Solarzellen sind: Organische Solarzellen und Perowskit-Solarzellen

Enpal verbaut übrigens TOPCon Module. Diese Solarzellen sind besonders leistungsintensiv mit hoher Lebensdauer.

Vor- und Nachteile der verschiedenen Solarzellarten auf einen Blick

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In Kürze: Die Wahl der geeigneten Solarzelle hängt sehr stark von den privaten Bedürfnissen und Vorstellungen ab. Nicht außer Acht zu lassen sind die Anbringungsfläche, die gewünschte Menge an produziertem Strom, der Anbringungsort und ob es sich um eine private Nutzung oder den Verkauf ans öffentliche Stromnetz handelt.

Hier erfahren Sie mehr zur Effizienz von Solarmodulen: Wirkungsgrad Solarzelle

Wie viel kostet eine Solarzelle?

Der Preis einer Solarzelle kommt vor allem auf die Art der Solarzelle an. Zusätzlich spielen aber natürlich auch externe Faktoren, wie z.B. die Marktsituation und die Rohstoffpreise eine Rolle beim Preis. Aus den Preisen für Solarpanels lassen sich auch die Preise für Solarzellen ableiten. Dabei gehen wir von einem Solarpanel mit 50 - 60 Solarzellen aus.

Sie brauchen eine Kostenübersicht für eine komplette Solaranlage? Dann schauen Sie in diesen Artikel rein: Solaranlage Kosten

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Dies sollten Sie bei der Montage Ihrer Solaranlage beachten

Normalerweise übernehmen Solarfachbetriebe die Montage der PV-Anlage. Bei Photovoltaik-Komplettanlagen werden die Bauteile zum Teil schon vormontiert und sind einfacher anzubringen. Wenn Sie etwas handwerkliches Geschick haben, können Sie Ihre Anlage unter Umständen selbst installieren. Wir raten zwar nicht dazu, die Montage eigenständig zu übernehmen, weil Fehler sehr kostspielig sein können. In beiden Fällen jedoch ist Folgendes zu beachten:

Zum einen muss die Anbringungsfläche frei von möglichem Schatten sein. Weder ein nahestehender Baum noch andere Gebäude sollten Schatten auf die Solarzellen werfen können. Verschattung kann im schlimmsten Fall nämlich auch zu einem Hotspot führen. Zum anderen ist es wichtig, dass das vorgesehene Dach Ihre PV-Anlage tragen kann. Besonders die Module mit schwereren poly- und monokristallinen Solarzellen können manche instabile Dächern nicht tragen. Daher sollte die Stabilität des Daches vorher auf jeden Fall getestet werden.

Das vermeintlich wichtigste und ausschlaggebende für den Erfolg Ihrer Solarzelle ist die Ausrichtung. Optimalerweise wählen Sie die Ausrichtung gen Süden und in einem Winkel von 30 Grad. Weniger als 15 Grad sollten die Solarmodule nicht aufweisen, denn dann kommt es zu einer starken Minderung des erzeugten Solarstroms.

Exkurs: Die historische Entwicklung der Solarzelle

Bereits 1839 stellte Antoine Becquerel fest, dass man Sonnenstrahlen zur Gewinnung von elektrischer Energie nutzen konnte. Lange Zeit experimentierten zahlreiche Forscher an weiteren Systemen, wie man diese erzeugte Energie produktiv einsetzen kann. Fast 100 Jahre später gelang es dann Chapin, Fuller und Pearson vom Unternehmen Bell im Jahr 1953 die erste Solarzelle aus Silizium zu produzieren. Der Wirkungsgrad zur damaligen Zeit betrug lediglich 6 % und die Produktionskosten waren immens hoch, jedoch war der erste Meilenstein gelegt.

In den nächsten Jahren wurde die Solarzelle vor allem in der Raumfahrt verwendet und an Satelliten befestigt. Über die Jahre forschten weitere Wissenschaftler daran, den Wirkungsgrad immer weiter zu erhöhen und auch die Lebensdauer zu verlängern.

Öffentliches Interesse bekam die Solarzelle vor allem nach Anfang der 1970er durch die erste Ölkrise und die damit verbundenen steigenden Ölpreise. Die Akzeptanz und das Vertrauen auch für die private Nutzung sind in den letzten Jahren um einiges gestiegen. In den letzten Jahrzehnten hat sich das Interesse an der Solarzelle dann nochmals um ein Vielfaches gesteigert. Denn mit dem Voranschreiten des Klimawandels werden nachhaltige, erneuerbare Energien wie die Solarenergie immer wichtiger.

Technologischer Forschungsausblick

Die Photovoltaik-Forschung für Solarzellen ist noch lange nicht beendet. Perowskit-Solarzellen markieren dabei den vielversprechendsten Entwicklungspfad: Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des Fraunhofer ISE gelang beispielsweise die Herstellung einer Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle, die verschiedene Materialschichten kombiniert, mit 31,6 % Wirkungsgrad. Mit solchen Tandemzellen sollen die theoretischen Effizienzgrenzen von Siliziumzellen durchbrochen werden.

Internationale Forschungsprojekte wie PEARL zielen darauf ab, die Stabilität und Effizienz dieser Technologie zu optimieren und höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Besonders spannend sind Ansätze wie flexible, transparente Solarmodule und gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV), die nicht nur die Energiegewinnung revolutionieren, sondern auch architektonische Möglichkeiten erweitern. Das Ziel ist eine ganzheitliche Transformation: Höhere Effizienz, geringere Produktionskosten, verbesserte Nachhaltigkeit und eine dezentrale Energieversorgung, die den globalen Klimawandel aktiv bekämpft.

Fazit

Von ihrer ursprünglichen Entwicklung bis heute haben Solarzellen eine beeindruckende Transformation durchlaufen: vom wissenschaftlichen Experiment zu einer Schlüsseltechnologie der globalen Energiewende. Die kontinuierliche Verbesserung der Wirkungsgrade, sinkende Produktionskosten und steigende Effizienz machen Solarzellen zu einer unverzichtbaren Lösung für die Herausforderungen des Klimawandels. Im Mai 2022 kündigte das Fraunhofer ISE sogar die Entwicklung einer Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 47,6 % an. Die Zukunft für die Solartechnik sieht also vielversprechend aus.

Wer schon heute davon profitieren möchte, kann sich eine eigene Solaranlage auf dem Dach installieren und günstigen, grünen Solarstrom produzieren.

Hier können Sie herausfinden, ob sich eine PV-Anlage auch für Ihr Haus lohnt: