Wissenswertes über Solarzellen

Die Solarzelle ist der kleinste Bestandteil von Photovoltaik-Modulen. Mehrere Solarzellen können zu einem Solarmodul zusammen geschlossen werden. Solarzellen werden aus Halbleitermaterialien, meist Silizium, hergestellt. Solarzellen sind etwa 10 x 10 cm bis 15 x 15 cm groß. Eine durchsichtige Antireflexschicht schützt und vermindert Reflexionsverluste an der Oberfläche der Solarzelle.

Solarzellen können mit der unerschöpflichen Quelle der Sonne umweltfreundlichen sauberen Strom produzieren. Und das praktisch verschleißfrei, denn die Materialabnutzung der Solarzellen ist bei der Stromerzeugung äußerst gering.

Funktionsweise

Die Solarzelle wandelt die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie nach dem Prinzip des photovoltaischen Effekts um. Solarzellen bestehen aus zwei Schichten. An den Grenzflächen dieser Schichten bildet sich ein elektrisches Feld. Lichteinstrahlung bewirkt, dass zwischen den Metallkontakten, welche an diese Siliziumschichten angebracht sind, elektrischer Strom (Gleichstrom) fließt und elektrische Spannung entsteht.

Solarzellentypen

In Photovoltaik-Anlagen, insbesondere bei Dachanlagen, werden hauptsächlich kristalline Solarzellen aus dem Rohstoff Silizium verwendet, da ihr Wirkungsgrad meist höher ist. Ca. 90% aller Photovoltaik-Module werden derzeit aus diesem Material gefertigt.

Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem Kristall mit einer absolut regelmäßigen atomaren Struktur und einer sehr homogenen Oberfläche.

• Solarmodul-Wirkungsgrad: 14% bis 17%
• Vorteil: Wirkungsgrad höher als der von polykristallinen Solarzellen
• Einsatzbereich: häufig für netzgekoppelte Solaranlagen genutzt (Anlagen, deren Solarstrom in öffentliches Stromnetz eingespeist wird)

Bei polykristallinen (auch: multikristalline) Solarzellen entstehen bei der Herstellung viele einzelne Kristalle, welche auf der Oberfläche ein eisblumenartiges Muster bilden.

• Solarmodul-Wirkungsgrad: 13% bis 16%, damit etwas geringer als bei monokristallinen Solarzellen
• Vorteil: niedrigerer Preis als bei monokristallinen Solarzellen
• Einsatzbereich: häufig für netzgekoppelte Solaranlagen

Dünnschicht-Solarzellen unterscheiden sich von kristallinen Solarzellen vor allem durch ihre Schichtdicke von kleiner einem Mikrometer (ca. 100 Mal dünner als ein menschliches Haar). Die Halbleitermaterialien werden auf ein Trägermaterial (Substrat) wie zum Beispiel Metall oder Glas aufgedampft. Meistens wird dafür amorphes Silizium (amorphe Solarzellen) verwendet. Dieses weist eine ungeordnete und keine kristalline Struktur auf. Mögliche weitere Materialien von Solarzellen sind Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder die so genannten CIGS-Solarzelle bzw. CIS-Solarzellen (Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen).
Dünnschicht-Solarzellen treten in den verschiedensten Verarbeitungsformen auf. Die Wirkungsgrade sind je nach verwendetem Material sehr unterschiedlich.

• Solarmodul-Wirkungsgrad: 5% bis 13%.
• Vorteile: preiswerte Herstellung und höhere Formflexibilität
• Einsatzbereich: im Kleinleistungsbereich, Freizeitprodukte, netzgekoppelte Anlagen und als Bau-/Fassadenelemente

Wirkungsgrad, Leistung und Temperatur

Die Maximalleistung eines Solarmoduls ist genormt und wird in KWp bzw. Wp (Watt peak) angegeben. Dies ist die Leistung (in Watt), die ein Modul bei einer Temperatur von 25 °C auf einer Fläche von 100 cm² unter Sonneneinstrahlung von 1.000 W/m² erzielt.

Der erzeugte Strom von Solarzellen ist umso größer, je mehr Sonnenlicht auf die Oberfläche der Zelle einstrahlt. Der erzeugte Strom nimmt proportional zur Strahlungsstärke zu, die Spannung erhöht sich nur leicht.

Bei hohen Temperaturen sinkt der Wirkungsgrad von Solarzellen. Das heißt der Wirkungsgrad der Solarzellen ist besser, je kälter sie sind. Daher ist eine geeignete Kühlmöglichkeit (zum Beispiel durch Wind oder gute Belüftung) abhängig von der Montage wichtig. Die Temperaturempfindlichkeit von Solar-Modulen wird in Datenblättern durch den Temperaturkoeffizient (% / °C) angegeben. Dieser Wert weicht innerhalb der verschiedenen Solarmodul-Technologien stark voneinander ab. Besonders Dünnschicht-Solarzellen aber auch einige kristalline Produkte weisen einen Wert von kleiner 0,3 auf. Ein Temperaturkoeffizient größer 0,4 gilt als hoch.