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Photovoltaik-Zellen | Eigenschaften & Wirkungsgrad

Über diesen Artikel

Lesezeit

5 Minuten

Veröffentlichung

20.05.2022

Letztes Update

20.05.2022

Im Zuge der Energiewende gewinnt auch die Photovoltaik immer mehr an Bedeutung. Ein wichtiger Teilbestand ist dabei die Photovoltaik-Zelle. Wie die Technik grundlegend funktioniert und was du beachten musst, erfährst du in diesem Artikel.

Inhalt des Blogartikels

Die Photovoltaik-Zelle als Grundelement jeder Photovoltaikanlage

Eine Photovoltaik-Zelle ist ein in der Regel quadratisches Bauelement, das bei Lichteinfall Strom erzeugt. Diese Bauelemente werden auch Solarzellen genannt, weil für die Stromerzeugung das Sonnenlicht genutzt wird. Die Zellen sind die Grundbausteine von Photovoltaikanlagen.

Solarzellen werden in der Praxis nicht einzeln verwendet. Die Hersteller fassen sie zu größeren Einheiten, den Photovoltaik- oder Solarmodulen, zusammen. Die einzelnen Zellen sind dabei in Reihe geschaltet. Dadurch addieren sich die Spannungen, die die einzelnen Zellen liefern. Während eine einzelne Zelle eine Spannung zwischen 0,5 und 0,7 Volt (V) liefert, weist ein Modul ein entsprechendes Vielfaches an Nennspannung auf.

 

Wie funktioniert die Photovoltaik-Zelle?

Um die genauen Funktionen der Photovoltaik-Zellen zu bestimmen, betrachten wir die unterschiedlichen Typen:

Zellen aus Silizium

Etwa 90 Prozent aller aktuell eingesetzten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium. Der Rohstoff ist reichlich in der Natur vorhanden, allerdings als Siliziumoxid. Dabei handelt es sich um Quarzsand. Der Sand wird geschmolzen und gereinigt. Im Anschluss wird entweder ein hochreiner Kristall gezüchtet (für monokristalline Solarzellen) oder ein Block gegossen (polykristalline Solarzellen). Sowohl von dem gezüchteten Kristall als auch von dem Gussblock schneiden die Hersteller hauchfeine Scheiben, sogenannte Wafer, ab, aus denen sie dann die eigentlichen Solarzellen herstellen.

Eine dritte Bauform von Solarzellen unter Verwendung von Silizium sind amorphe Zellen. Zu ihrer Herstellung dampfen die Produzenten eine ultrafeine Schicht gasförmigen Siliziums auf ein Trägermaterial auf. Wegen der sehr feinen Siliziumschicht werden diese Ausführungen auch als Dünnschicht Solarzellen bezeichnet.

Das Silizium allein liefert aber noch keinen nutzbaren elektrischen Strom. Eine Silizium-Solarzelle ist aus 3 Schichten aufgebaut. Einer Schicht wird eine definierte Menge Phosphor beigemischt. Diese Schicht verfügt dann über freie Elektronen und trägt eine negative Ladung (n-dotierte Schicht). Die zweite Schicht wird mit Bor dotiert und bekommt dadurch eine positive Ladung durch Elektronenmangel (p-dotierte Schicht). Zwischen den beiden Schichten liegt eine Grenzschicht, die p-n-Übergang genannt wird. Durch diese Trennung der unterschiedlich dotierten Schichten entsteht ein inneres elektrisches Feld.

Treffen jetzt energiereiche Sonnenstrahlen auf das Silizium, werden die Elektronen zur Wanderung angeregt. Mit je einer metallenen Kontaktplatte an n- und p-Schicht kannst du eine elektrische Spannung abgreifen. Nun brauchst du nur noch beide Metallplatten über einen elektrischen Verbraucher verbinden, und es fließt Strom.

Andere anorganische Materialien

Für Dünnschicht-Solarzellen haben Forscher auch andere Materialien gefunden. Kommerziellen Erfolg haben derzeit jedoch nur 2 Varianten: Zellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS-Zellen) und aus Cadmiumtellurid (CdTe-Zellen). Dünnschicht-Solarzellen lassen sich schon im Fertigungsprozess zu kompletten Modulen verschalten. Dadurch ist ihre Produktion kostengünstiger als bei den kristallinen Siliziumzellen. Allerdings haben sie einen wesentlich geringeren Wirkungsgrad.

Organische Solarzellen

Organische Solarzellen sind eine relativ neue Entwicklung. Sie verwenden Moleküle aus Kohlenstoffverbindungen. Ihre Vorteile sind die kostengünstige Herstellung und die Kombinationsmöglichkeit mit Kunststoffen als Trägermaterial. Außerdem sind sie flexibel – du kannst sie also nahezu überall anbringen. Derzeit ist allerdings noch der geringe Wirkungsgrad ein Hindernis für den breiten Einsatz.

 

Wirkungsgrade und typische Einsatzfälle von Photovoltaik-Zellen

Der Wirkungsgrad in Prozent bei einer Solarzelle sagt aus, wie viel von dem einfallenden Sonnenlicht tatsächlich in elektrischen Strom umgewandelt wird. Für uns als Anwender ist das eine Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit bzw. Effizienz der einzelnen Bauformen der Zellen zu vergleichen. Dabei musst du jedoch beachten, dass die Photovoltaikzellen unter Normbedingungen im Labor stets einen höheren Wirkungsgrad aufweisen als in der Praxis. Die folgenden Angaben stammen aus dem praktischen Einsatz.

Monokristalline Solarzellen

Bei monokristallinen Solarzellen beträgt der Wirkungsgrad in etwa 21 Prozent. Sie finden vor allem Verwendung in Photovoltaikmodulen.

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von ca. 17 Prozent und werden ebenfalls hauptsächlich für die Module verbaut.

Amorphe Dünnschicht-Solarzellen

Amorphe Dünnschicht-Solarzellen werden nicht nur für Photovoltaikmodulen, sondern auch in mobilen PV-Kits, Balkonkraftwerken, Parkuhren oder Wohnmobilien verwendet. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 8 Prozent.

CIGS- und CdTe-Zellen

Die Dünnschicht-Solarzellen weisen in der Regel einen Wirkungsgrad von 11 bzw. 12 Prozent auf. Sie werden, wie die amorphen Zellen, vielseitig eingesetzt.

 

Photovoltaik-Zelle, Module und Anlage: Aufbau und Leistung im Detail

Die Leistung einer einzelnen Photovoltaik-Zelle reicht für die Versorgung eines Taschenrechners oder einer Uhr. Für die Stromversorgung eines Einfamilienhauses oder für noch leistungsfähigere Anlagen werden die Zellen zu Solarmodulen vereinigt.

Üblicherweise befinden sich in einem Modul für PV-Anlagen 60 oder 72 Solarzellen, die miteinander in Reihe verschaltet sind. Die Zellen befinden sich zwischen Kunststoff- oder Gießharzschichten und Klebeverbundfolie. Die oberste und unterste Schicht bildet jeweils eine Glasscheibe. Ein Aluminiumrahmen hält die Konstruktion stabil zusammen.

Wir hatten oben schon gesagt, dass eine Solarzelle, wie sie für die PV-Module verwendet wird, eine Nennspannung von 0,5 bis 0,7 V liefert. Dennoch findest du im Internet Angaben wie „Solarzelle 12 V". Das ist technisch falsch und beruht darauf, dass im allgemeinen Sprachgebrauch die Bezeichnungen Solarzelle und Solarmodul als Synonyme verwendet werden. Mit dem Ausdruck „Solarzelle 12 V" ist eigentlich ein kleineres Solarmodul gemeint, das aus 24 Solarzellen aufgebaut ist und eine nominale Spannung von 12 V liefert.

Eine komplette Anlage wird durch das Zusammenschalten mehrerer Module errichtet. Dazu befestigen die Anlagenbauer die Module häufig auf einer Trägerkonstruktion auf dem Dach des zu versorgenden Hauses und verbinden sie elektrisch untereinander. Der bei Sonneneinstrahlung erzeugte elektrische Strom wird zur Nutzung in das Stromnetz des Gebäudes eingespeist.

 

Wichtige Voraussetzungen für Photovoltaik-Zellen

Das zu nutzende Dach muss ausreichend tragfähig sein, um das zusätzliche Gewicht der Photovoltaikanlage einschließlich entstehender Wind- und Schneelasten tragen zu können. Lass dein Dach im Zweifel durch einen Statiker prüfen.

Für einen optimalen Ertrag an Strom sollte das Dach möglichst nach Süden ausgerichtet sein und eine Neigung um die 30 Grad aufweisen.

Achte darauf, dass die für die Anlage vorgesehene Dachfläche nicht durch Bäume oder Dachaufbauten (zum Beispiel Schornsteine) verschattet wird.

Die Tragekonstruktion muss einen Abstand zwischen Modulen und Dach gewährleisten. So werden die Module hinterlüftet und gekühlt. Denn eine zu starke Erwärmung der Module verringert die Leistung.

 

Was sind die Vorteile von Photovoltaik?

Mit einer Photovoltaikanlage erzeugst du deinen eigenen Strom und wirst zumindest zum Teil unabhängig von den steigenden Strompreisen der öffentlichen Versorger. Die Stromerzeugung durch Solarzellen ist CO₂-frei. Damit leistest du also noch zusätzlich einen Beitrag zum Umwelt- und Klimaschutz.

Natürlich verursacht die Errichtung einer Photovoltaikanlage erst einmal Kosten. Neben dem Anschaffungspreis der Solarmodule, des Befestigungsmaterials, elektrischer Leitungen und der Komponenten zur Einspeisung des Solarstroms in das Hausnetz fallen auch Kosten für Planung und Montage an. Im Schnitt kostet eine großzügig dimensionierte Anlage für ein Einfamilienhaus etwa 10.000 bis 12.000 Euro (ohne Speicher).

Du sparst jedoch Geld, da du nur noch einen Teil deines benötigten Stroms zu hohen Kosten bei öffentlichen Versorgern zukaufst. Darüber hinaus kannst du nach wie vor überschüssigen Solarstrom gegen eine geringe Einspeisevergütung in das öffentliche Netz einspeisen. Dadurch rentieren sich Photovoltaikanlagen mit Renditen von 5 bis 8 Prozent jährlich und du spielst deine Anschaffungskosten in etwa in der üblichen Garantiezeit von 10 Jahren wieder ein.

Und noch ein kleiner Fun Fact zum Abschluss: Ein günstiges Solarmodul mit einer Leistung von 300 Watt Peak (Wp) und 60 Solarzellen kostet etwa 120 Euro. Der Preis für eine einzelne Solarzelle wäre demnach 2 Euro.

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