Die Solarzelle - das Herz vom Solarpanel

Monokristallin, polykristallin, amorph oder als Dünnschichtzelle - für das Herzstück im Solarpanel stehen Käufern von Photovoltaikanlagen verschiedene Wege offen. Jeder einzelne davon verfügt über spezielle Vor- und Nachteile, die den Wirkungsgrad einer Solaranlage beeinflussen. Welche diese sind und wie die Solarzelle Licht in Strom verwandelt, ist hier erläutert.


Was ist eine Solarzelle?

Eine photovoltaische Zelle, so der korrekte Name der Zelle, ist ein elektrisches Bauelement aus einem Halbleitermaterial. Fällt Licht auf die Photozelle, kommt es zu einer Wechselwirkung der Photonen (dem Licht) mit den Elektronen im Material. Elektronen, die durch diese Wechselwirkung aus dem Material herausgelöst wurden, können als Solarstrom abgesaugt und in einer Batterie gespeichert werden.

Der Effekt selbst ist gering. Werden die einzelnen Solarzellen jedoch zu Solarmodulen verarbeitet und in einer Reihenschaltung hintereinander platziert, dann addieren sich die Effekte der einzelnen Photozellen.

Mit einer genügend großen Anzahl an Solarmodulen entsteht ein Solarpanel, bei dem der Stromgewinn nutzbare Größen annimmt.


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Materialien und Arten

Für den Bau von Photozellen, die für den Betrieb in Solaranlagen geeignet sind, haben sich zwei Arten der Herstellung bewährt:


Dickschichtzellen

Diese Zellen nutzen monokristallines oder polykristallines Silicium als Halbleitermaterial. Das monokristalline Material weist einen hohen Wirkungsgrad auf, doch ist der Herstellungsprozess energie- und zeitaufwendig.

Polykristalline Dickschicht-Zellen erreichen dagegen nur einen etwas niedrigeren Wirkungsgrad. Dafür sind sie in der Herstellung erheblich preiswerter, da sie auf das aufwendige Rekristallisieren verzichten. Aus diesem Grund sind polykristalline Solarzellen die am weitesten verbreitete Wahl für den Einsatz im Solarpanel.





Dünnschichtzellen

Bei Dünnschichtzellen wird das Halbleitermaterial als extrem dünne Schicht auf Glas, Metall, Kunststoff oder einem anderen Material aufgedampft. Als Halbleitermaterial kommt meist amorphes Silicium zum Einsatz, was nur rund ein Prozent des Materials benötigt, das eine Dickschichtzelle verbraucht.

Kristallines Silizium verspricht vor allem in Tandemzellen höhere Wirkungsgrade, doch sind dabei noch nicht alle technischen Hürden überwunden. Erfolgreiche Laborexperimente zeigen sich vielversprechend.


Andere Solarzellen aus CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid), Cadmiumtellurid oder Galliumarsenid erreichen sehr hohe Wirkungsgrade bei noch höheren Herstellungskosten. Sie bleiben zurzeit noch der Raumfahrt und anderen hochtechnologischen Anwendungen vorbehalten.


Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist das Verhältnis aus erzeugter elektrischer Leistung und der eingesammelten Licht-Leistung. Aufgrund von Materialeigenschaften, Wellenlänge und Abstände der Halbleiterschichten ist der maximal erreichbare Wirkungsgrad einer Photozelle auf 41 % begrenzt. Durch die Kombination speziell abgestimmter Tandem-Solarzellen kann dieser Wert sogar leicht übertroffen werden.

In Photovoltaikanlagen spielen dagegen auch die Anschaffungskosten eine große Rolle. Daher kommen üblicherweise Solarzellen zum Einsatz, die Wirkungsgrade um 5 - 10 % bei amorphem Silicium und 15 - 22 % bei poly- und monokristallinem Silicium nicht überschreiten. Mit diesen Zellen lassen sich die Modulkosten unter einem Euro pro Watt halten.


Umweltschutz

Die bei der Herstellung von Solarzellen benötigten Chemikalien sind die ökologische Achillesferse in der Ökostrom-Produktion. Sicherungsmaßnahmen für den Arbeits- und Umweltschutz sind aufwendig und teuer, da chemische Stoffe wie Cadmium oder Arsen gleichermaßen giftig und krebserregend sind.

Von einem fertigen Solarpanel geht keine Gefahr mehr aus. Die darin verbauten Materialien treten erst wieder hervor, wenn sie auf dem Altmüll oder Schrottplatz landen. Dennoch müssen die Chemikalien in eine ökologische Gesamtbilanz mit eingerechnet werden.

Erfreulich zeigen sich dagegen Untersuchungen zu Cadmiumtellurid-Solarzellen. Bezogen auf ihre lange Lebensdauer von 30 Jahren geben diese Zellen 90 bis 300 mal weniger Cadmium als Kohlekraftwerke an die Umwelt ab.


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