Eine Solarzelle, auch bekannt als Photovoltaikzelle, ist die Grundkomponente eines Solarpanels und damit das Herzstück jeder Photovoltaikanlage. Sie wandelt das eintreffende Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um und ermöglicht so die Nutzung der Sonnenenergie für die Stromerzeugung.

Aufbau und Funktionsweise

Eine Solarzelle besteht aus einem Halbleitermaterial, meist Silizium, das mit Fremdatomen dotiert wurde, um zwei unterschiedliche Schichten zu bilden: die n-Schicht (negativ) und die p-Schicht (positiv). An der Grenzfläche zwischen diesen Schichten entsteht ein elektrisches Feld, das sogenannte p-n-Übergang.
Wenn Licht auf die Solarzelle trifft, werden Elektronen in der n-Schicht durch die Energie der Photonen angeregt und in einen höheren Energiezustand versetzt. Diese angeregten Elektronen können sich nun frei im Halbleitermaterial bewegen und werden durch das elektrische Feld am p-n-Übergang zur p-Schicht gezogen. Dadurch entsteht ein Elektronenfluss, der als elektrischer Strom abgegriffen werden kann.

Um diesen Strom nutzen zu können, sind die Vorder- und Rückseite der Solarzelle mit Kontakten versehen. Die Vorderseite ist mit einem feinen Gitter aus leitfähigem Material, meist Silber, beschichtet, während die Rückseite vollflächig mit einer Metallschicht, oft Aluminium, bedeckt ist.

Wirkungsgrad und Einflussfaktoren

Solarzellen erreichen im Labor Wirkungsgrade von bis zu 26%, während kommerziell erhältliche Module meist Wirkungsgrade zwischen 15% und 22% aufweisen.

Verschiedene Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad einer Solarzelle:

• Materialqualität: Verunreinigungen und Kristalldefekte im Halbleitermaterial reduzieren den Wirkungsgrad, da sie die Beweglichkeit der Elektronen einschränken.
• Reflexionsverluste: Ein Teil des eintreffenden Lichts wird an der Oberfläche der Solarzelle reflektiert und geht für die Energieumwandlung verloren. Antireflexbeschichtungen und Texturierungen der Oberfläche können diese Verluste minimieren.
• Spektrale Empfindlichkeit: Solarzellen können nicht das gesamte Spektrum des Sonnenlichts gleich effizient nutzen. Sie sind meist auf den sichtbaren und nahen infraroten Bereich optimiert.
• Temperatur: Mit steigender Temperatur nimmt der Wirkungsgrad von Solarzellen ab, da die Beweglichkeit der Ladungsträger sinkt und mehr Rekombinationsverluste auftreten.

Zellentypen und Materialien

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen, die sich in Material, Herstellungsverfahren und Wirkungsgrad unterscheiden:

• Monokristalline Silizium-Solarzellen: Sie bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall und weisen die höchsten Wirkungsgrade auf. Allerdings ist ihre Herstellung auch am aufwendigsten und kostenintensivsten.
• Polykristalline Silizium-Solarzellen: Diese Zellen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen und sind etwas günstiger in der Herstellung, haben aber auch geringere Wirkungsgrade als monokristalline Zellen.
• Dünnschicht-Solarzellen: Bei diesem Zelltyp werden dünne Schichten von Halbleitermaterialien wie amorphes Silizium, Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) auf ein Trägermaterial aufgebracht. Sie sind günstig in der Herstellung und flexibel einsetzbar, haben aber geringere Wirkungsgrade als kristalline Silizium-Solarzellen.
• Multi-Junction-Solarzellen: Diese hocheffizienten Zellen bestehen aus mehreren übereinanderliegenden Schichten verschiedener Halbleitermaterialien, die jeweils auf einen anderen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts optimiert sind. Sie erreichen Wirkungsgrade von über 40%, sind aber sehr teuer in der Herstellung und werden hauptsächlich in der Raumfahrt und für Konzentratorsysteme eingesetzt.

Anwendungen und Perspektiven

Solarzellen finden in einer Vielzahl von Anwendungen Einsatz, von kleinen Konsumgütern wie Taschenrechnern und Gartenleuchten bis hin zu großflächigen Photovoltaikanlagen auf Dächern und Freiflächen. Sie sind ein wichtiger Baustein für die Energiewende und die Reduzierung von Treibhausgasemissionen.

Durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung werden Solarzellen immer effizienter, langlebiger und kostengünstiger. Neue Materialien und Konzepte, wie organische Solarzellen oder Perowskit-Solarzellen, versprechen weitere Verbesserungen und könnten in Zukunft die Photovoltaik noch wettbewerbsfähiger machen.

Mit der zunehmenden Verbreitung von Solarzellen und der Skalierung der Produktion ist zu erwarten, dass die Kosten für Solarstrom weiter sinken und die Photovoltaik einen immer größeren Beitrag zur globalen Energieversorgung leisten wird. Solarzellen sind somit ein Schlüsselelement für eine nachhaltige und klimafreundliche Zukunft.