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Wie funktioniert eine Solarzelle?

Solarzellen sollen die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln. Das Licht trifft als Strom von kleinen Lichtteilchen, den Photonen, auf die Solarzelle. Dort übertragen die Photonen ihre Energie auf Elektronen. Aber bis daraus elektrischer Strom wird, sind noch einige Probleme zu lösen – um welche es sich dabei handelt, kann man in der interaktiven Animation herausfinden!

Solarzelle starten

Jedes Siliziumatom hat vier äußere Elektronen, mit denen es mit seinen Nachbaratomen verbunden ist. Diese Elektronen sind fest im Siliziumgitter eingebaut, daher kann kein Strom fließen. Um das zu ändern, muss man bewegliche Elektronen hinzufügen.

Funktionsweise der Solarzellen-Animation

In der lehrreichen Animation erforscht man Schritt für Schritt die Funktionsweise einer Solarzelle. Durch die einzelnen Abschnitte der Animation navigiert man, indem man die gelb unterlegten Schaltflächen anklickt. Folgende Aspekte werden anschaulich erläutert:

  • Elektronenanregung durch Photonen
  • Dotierung, Leitungselektronen und Löcher
  • Entstehung der Verarmungszone und Potentialstufe
  • Stromerzeugung in der Solarzelle

Weiterführende Informationen: Herstellung von Solarzellen

Das Grundmaterial für heutige Solarzellen ist Silizium, wie es auch für Computerchips verwendet wird. Silizium ist eines der häufigsten Elemente auf der Erde, kommt aber hauptsächlich gebunden vor. Sand zum Beispiel besteht zum großen Teil aus Siliziumdioxid. Entzieht man ihm chemisch den Sauerstoff, erhält man reines Silizium.

Detailansicht der virtuellen Solarzelle

Licht kann Elektronen auf eine höhere Energiestufe heben – aber die Elektronen fallen schnell auf ihre alte Energie zurück. Für eine Stromquelle reicht das nicht, denn so kommt kein Stromfluss in Gang.

Am einfachsten kann man eine Solarzelle herstellen, indem man ein Trägermaterial, zum Beispiel Glas, mit Silizium bedampft. Die Siliziumatome lagern sich ungeordnet ab, man sagt auch „amorph“. Solarzellen aus amorphem Silizium wandeln aber nur wenig Sonnenenergie in Strom um, gerade einmal 8 Prozent beträgt der Wirkungsgrad.

Daher baut man sie vor allem in Geräte ein, die nur wenig Strom brauchen – also Uhren, Taschenrechner und andere Kleingeräte. Da die Schicht aus amorphem Silizium sehr dünn ist und sich auf unterschiedliche Oberflächen aufdampfen lässt, kann man auch flexible Solarzellen herstellen – wie etwa eine Matte zum Handyaufladen, die man zusammenrollen und in den Rucksack stecken kann.

Effizientere Solarzellen kann man herstellen, indem man Silizium schmilzt und in eine Form gießt. Das Silizium erstarrt zu vielen miteinander verwachsenen Kristallen, daher nennt man es auch polykristallines Silizium („poly“ bedeutet „viele“). Den Siliziumblock zersägt man dann in Scheiben von ca. einem viertel Millimeter Dicke. Die Scheiben werden wiederum in meist rechteckige Platten zersägt, mit Metallkontakten versehen, um den Strom abzuleiten und zu Solarmodulen zusammengesetzt. An deren Oberfläche kann man übrigens die einzelnen Kristalle gut erkennen.

Detailansicht der virtuellen Solarzelle

Das Phosphoratom fügt sich ins Siliziumgitter ein. Übrig bleibt die positive Ladung im Atomkern und ein zusätzliches Elektron, das nicht an der Bindung teilnimmt, sondern sich im Silizium gut bewegen kann.

Durch die Kristallstruktur kann Sonnenenergie besser in elektrische Energie umgesetzt werden. Solarzellen aus polykristallinem Silizium haben einen Wirkungsgrad von etwa 15 Prozent bei noch vergleichsweise günstigen Herstellungskosten. Daher bestehen die meisten Solarzellen auf Hausdächern aus polykristallinem Silizium.

Der Wirkungsgrad lässt sich noch weiter verbessern, wenn man Silizium verwendet, das aus einem einzigen großen Kristall besteht, sogenanntes monokristallines Silizium. (Vom Griechischen „mono“ für „eins“.) Um das zu erreichen, taucht man einen perfekten kleinen Siliziumkristall in geschmolzenes Silizium. An diesem „Impfkristall“ lagert sich die Schmelze so an, dass ein immer größerer Kristall entsteht. Der Impfkristall wird langsam aus der Schmelze nach oben gezogen. Weiteres Silizium lagert sich an und so wächst der Kristall immer weiter. Schließlich ist er über einen Meter lang und 30 Zentimeter dick. Auch dieser Stab wird zur weiteren Bearbeitung in Scheiben („Wafer“) zersägt.

Detailansicht der virtuellen Solarzelle

Durch die eingebauten Phosphoratome stehen bewegliche Elektronen zur Verfügung, die elektrischen Strom leiten können.

Monokristallines Silizium wird vor allem für Computerchips benötigt, kann aber auch für Solarzellen verwendet werden. Diese erreichen einen Wirkungsgrad von 17 bis 20 Prozent – sind aber durch die aufwendige Herstellung teurer. Daher kommen sie vor allem zum Einsatz, wenn auf möglichst kleiner Fläche viel Strom erzeugt werden soll, zum Beispiel bei Satelliten.

Die Herstellung von Solarzellen ist aufwendig und benötigt Energie. Früher wurde bei der Produktion sogar mehr Energie aufgewendet, als die Solarzelle während ihrer Einsatzzeit lieferte. Heute hat eine Solarzelle – je nach Typ – in eineinhalb bis spätestens fünf Jahren so viel Energie geliefert, wie für ihre Produktion nötig war, sodass die Energiebilanz inzwischen positiv ausfällt.

Preisgekrönte Projekte
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