Photovoltaik vs. Solarthermie: Strom oder Wärme?
Bevor wir ins Detail gehen, ist eine wichtige Unterscheidung zu treffen. Der Begriff „Solaranlage“ wird oft für zwei verschiedene Technologien verwendet. Dieser Beitrag konzentriert sich ausschließlich auf die Photovoltaik, bei der Solarzellen Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandeln. Davon abzugrenzen ist die Solarthermie, die die Energie der Sonne nutzt, um Wasser zu erwärmen und die Heizung zu unterstützen.
Das Wichtigste in Kürze
- Eine Solarzelle ist das grundlegende Bauteil einer Photovoltaikanlage und wandelt Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um.
- Die Funktionsweise basiert auf dem photovoltaischen Effekt in einem Halbleitermaterial (meist Silizium), dessen Kern der p-n-Übergang ist.
- Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen, hauptsächlich monokristalline, polykristalline und Dünnschichtzellen, die sich in Effizienz und Kosten unterscheiden.
- Die Qualität und der Typ der Solarzelle bestimmen maßgeblich die Gesamtleistung und den Ertrag Ihrer Solaranlage.
Was ist eine Solarzelle und wie funktioniert sie?
Stellen Sie sich eine Solarzelle als winziges Kraftwerk vor. Sie ist die kleinste Einheit Ihrer Photovoltaikanlage und hat eine entscheidende Aufgabe: die Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbaren elektrischen Strom. Dieser Prozess wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet. Trifft Sonnenlicht auf die Solarzelle, werden Elektronen im Inneren des Halbleitermaterials, meist Silizium, angeregt und in Bewegung versetzt. Eine spezielle innere Struktur sorgt dafür, dass diese Elektronen in eine bestimmte Richtung fließen. So entsteht ein kontinuierlicher Fluss von Elektronen – also elektrischer Gleichstrom, den Sie für Ihr Zuhause nutzen können.
Der detaillierte Aufbau einer modernen Solarzelle
Eine Solarzelle ist ein komplexes Bauteil, das aus mehreren Schichten besteht. Das Herzstück bilden zwei unterschiedlich behandelte Siliziumschichten. Durch einen Prozess namens Dotierung werden Fremdatome gezielt in das Siliziumgitter eingebracht. Eine Schicht wird n-dotiert (z. B. mit Phosphor), was zu einem Überschuss an freien Elektronen führt. Die andere Schicht wird p-dotiert (z. B. mit Bor), wodurch ein Mangel an Elektronen, sogenannte „Löcher“, entsteht. An der Kontaktfläche dieser beiden Schichten bildet sich eine Grenzschicht, der p-n-Übergang. Diese Schicht wirkt wie ein Ventil (Diode) und lässt den durch Licht angeregten Elektronenfluss nur in eine Richtung zu. Umgeben sind diese Kernschichten von weiteren Elementen wie Vorder- und Rückkontakten zur Stromabnahme und einer entscheidenden Antireflexionsschicht auf der Oberseite. Sie sorgt dafür, dass möglichst wenig Sonnenlicht reflektiert wird und stattdessen in die Zelle eindringen kann, um dort Energie zu erzeugen.
Welche Arten von Solarzellen gibt es? Ein Überblick
Auf dem Markt haben sich vor allem drei Arten von Solarzellen durchgesetzt, die in Solarmodulen zum Einsatz kommen. Die Wahl des richtigen Typs hängt von Ihren Prioritäten wie Effizienz, Kosten und verfügbarer Dachfläche ab.
- Monokristalline Solarzellen: Diese Zellen werden aus einem einzigen, reinen Siliziumkristall hergestellt. Sie haben eine einheitlich dunkle Farbe und abgerundete Ecken. Ihr Hauptvorteil ist der hohe Wirkungsgrad, wodurch sie auf kleiner Fläche mehr Strom erzeugen. Sie sind ideal für Dächer mit begrenztem Platz.
- Polykristalline Solarzellen: Sie bestehen aus mehreren Siliziumkristallen, was ihnen eine bläuliche, schillernde Oberfläche verleiht. Ihre Herstellung ist günstiger, weshalb sie oft eine preiswertere Alternative darstellen. Ihr Wirkungsgrad ist etwas geringer als bei monokristallinen Zellen.
- Dünnschichtzellen: Im Gegensatz zu kristallinen Zellen werden hier hauchdünne Schichten aus Halbleitermaterial (oft amorphes Silizium) auf ein Trägermaterial wie Glas oder Folie aufgedampft. Ihr Wirkungsgrad ist zwar geringer, doch ihre Herstellung ist kostengünstiger und sie sind leichter und flexibler. Das macht sie für spezielle Anwendungen oder große, gewichtssensible Flächen interessant.
Der Wirkungsgrad: Wie leistungsfähig ist eine Solarzelle?
Der Wirkungsgrad ist eine der wichtigsten Kennzahlen einer Solarzelle. Er gibt an, wie viel Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt wird. Moderne monokristalline Zellen erreichen heute Wirkungsgrade von über 22 %, während polykristalline Zellen typischerweise zwischen 18 % und 20 % liegen. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass Sie mit der gleichen Fläche mehr Strom erzeugen können. Faktoren wie die Temperatur und die Intensität der Sonneneinstrahlung beeinflussen die tatsächliche Leistung im Betrieb.
Von der einzelnen Solarzelle zum kompletten Solarmodul
Eine einzelne Solarzelle erzeugt nur eine geringe Menge an Strom. Um die Leistung zu erhalten, die für ein Hausdach benötigt wird, werden viele einzelne Zellen miteinander verbunden. In der Regel werden 60 oder mehr Solarzellen elektrisch in Reihe geschaltet und in einem robusten Rahmen mit einer schützenden Glasscheibe zu einem Photovoltaikmodul zusammengefügt. Die so erzeugte Energie ist jedoch Gleichstrom. Um diesen Strom im Haushalt für Ihre Geräte nutzen zu können, ist eine weitere zentrale Komponente unerlässlich: der Wechselrichter. Er wandelt den Gleichstrom der Solarmodule in den im Stromnetz üblichen Wechselstrom um. Mehrere dieser Module bilden zusammen mit dem Wechselrichter Ihre komplette Photovoltaikanlage
Die Zukunft der Solarzelle: Ein Blick auf neue Technologien
Die Forschung an Solarzellen steht niemals still. Ständig werden neue Technologien entwickelt, um den Wirkungsgrad weiter zu steigern und die Kosten zu senken. Technologien wie PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) sind bereits Standard und verbessern die Lichtausbeute auf der Rückseite der Zelle. Zukünftige Entwicklungen wie Tandem- oder Perowskit-Solarzellen versprechen noch höhere Effizienz und könnten die Solarenergie noch leistungsfähiger und zugänglicher machen. Mit einer Anlage von BSH setzen Sie auf bewährte und zukunftssichere Technologie.
Häufig gestellte Fragen zur Solarzelle
Solarzellen sind extrem langlebig. Die meisten Hersteller von Solarmodulen garantieren eine Leistung von über 80 % nach 25 bis 30 Jahren. Die Zelle selbst degradiert nur sehr langsam, sodass eine Lebensdauer von 30 bis 40 Jahren und mehr realistisch ist.
Ja, Solarzellen erzeugen auch bei diffusem Licht, also an bewölkten Tagen, Strom – allerdings mit geringerer Leistung als bei direkter Sonneneinstrahlung. Eine teilweise Verschattung Photovoltaik kann den Ertrag eines ganzen Moduls reduzieren, weshalb eine gute Planung der Anlage entscheidend ist.
Silizium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste und daher in großen Mengen verfügbar. Es besitzt als Halbleiter ideale elektronische Eigenschaften für den photovoltaischen Effekt und die Technologie zur Herstellung von Silizium-Solarzellen ist sehr ausgereift und kosteneffizient.
Moderne Solarzellen bestehen hauptsächlich aus Silizium, Glas und Aluminium – allesamt unbedenkliche und gut recycelbare Materialien. Während der Stromerzeugung arbeiten sie völlig emissionsfrei. Die Energie, die für die Herstellung benötigt wird, erzeugt ein Solarmodul in der Regel innerhalb der ersten ein bis zwei Jahre selbst.
Nein, ein Austausch einzelner Zellen ist in der Praxis nicht möglich. Die Zellen sind fest im Modulaufbau integriert und versiegelt. Ein Defekt einer einzelnen Zelle ist jedoch äußerst selten. Sollte ein Modul beschädigt sein, wird in der Regel das gesamte Modul ausgetauscht.