Solarzelle: Aufbau, Arten & Funktion

Solarzelle: Das Wichtigste in Kürze

Solarzellen sind die kleinen quadratischen Bauelemente in den Solarmodulen, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln.
Ein Solarmodul besteht im Durchschnitt aus 60 Solarzellen.
Solarzellen werden vor allem in Photovoltaikanlagen verwendet. Man kennt sie aber zum Beispiel auch aus Taschenrechnern oder anderen Kleingeräten aus dem Alltag.
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle liegt je nach Zellart bei 5 - 22 %. Die monokristalline Solarzelle hat den höchsten Wirkungsgrad und wird deshalb auch von Enpal für PV-Anlagen verwendet.

Inhaltsverzeichnis

Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle ist ein elektrisches Bauelement, das Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt. Oder einfach gesagt: Eine Solarzelle wandelt Licht in Strom um. Diese Umwandlung ist das Kernprinzip der Photovoltaik und ermöglicht Millionen von Menschen die Nutzung von erneuerbaren Energien.

Oftmals werden die Begriffe Solarzelle, Solarpanel und Solarmodul als Synonyme verwendet. Tatsächlich besteht ein Solarpanel bzw. ein Solarmodul jedoch aus vielen kleinen quadratischen Solarzellen.

Ein Hausdach mit Solaranlage, auf dem gekennzeichnet ist, was eine Solarzelle, ein Solarpanel und eine Solaranlage sind

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Eine Solarzelle nutzt den photoelektrischen Effekt, um Strom zu erzeugen. Sie wandelt also Licht in Strom um. Das funktioniert so:

Licht trifft auf ein Solarpanel und löst dort den photoelektrischen Effekt aus.
In der Solarzelle werden Elektronen freigesetzt, die als Gleichstrom zum Wechselrichter weitergeleitet werden.
Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom zu nutzbarem Wechselstrom um.

Zur Veranschaulichung der Photovoltaik-Funktion sehen wir im Schaubild den Aufbau einer Solarzelle. Die drei mittleren Schichten bestehen aus Silizium. Die obere Schicht ist sog. „n-dotiertes“ Silizium. Das heißt, dass es negativ geladen ist. Die untere Schicht hingegen ist „p-dotiert“, also positiv geladen. In der mittleren sog. Grenzschicht werden die Elektronen abgefangen, die sich in den Schichten lösen, wenn Licht auf die Solarzelle trifft. Dies ist der oben beschriebene Gleichstrom.

Ein Schaubild, das den Querschnitt und den Aufbau einer Solarzelle zeigt

Wofür werden Solarzellen verwendet?

Photovoltaikanlagen sind wohl der bekannteste Anwendungsbereich von Solarzellen. Denn Solarenergie ist nicht nur ein wichtiger Teil der Energiewende, sondern hat auch entscheidende Vorteile für Eigenheimbesitzer, wie z. B. Unabhängigkeit von steigenden Strompreisen, langfristig niedrige Stromkosten und Umweltschutz.

Abgesehen von PV-Anlagen: Solarzellen werden inzwischen in nahezu allen Lebensbereichen verwendet. Im öffentlichen Raum kommen zum Beispiel solarbetriebene Straßenbeleuchtungen, Ladestationen und sogar Solar-Straßen zum Einsatz, die Energie direkt aus der Fahrbahn gewinnen. Weitere Anwendungsfälle sind beispielweise Taschenrechner, diverse Haushaltsgeräte, Parkuhren, Armbanduhren, MP3-Player und sogar Kleidungsstücke.

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Aktuell werden meistens drei verschiedene Arten von Solarzellen für die Privatperson angeboten, mit denen Haushalte selbst Strom erzeugen können. Diese schauen wir uns in den folgenden Abschnitten genauer an.

Gut zu wissen: Enpal setzt komplett auf monokristalline Solarzellen. Sie haben den höchsten Wirkungsgrad und produzieren bei unseren Kunden den meisten Strom.

Einen ausführlichen Vergleich der Modularten gibt es auch hier: Solarmodule im Vergleich

‍Monokristalline Solarzellen bestehen aus Siliziumscheiben („Wafer“), die alle aus demselben Siliziumkristall gefertigt werden. Dadurch haben sie eine sehr gleichmäßige Struktur und eine dunkelblaue oder schwarze Farbe.

Die Herstellung einer einheitlichen, ganzen Siliziumscheibe ist relativ aufwendig. Daher kosten monokristalline Solarzellen häufig etwas mehr als polykristalline Solarzellen. Dafür haben sie aber einen deutlich höheren Wirkungsgrad und erhöhen die Rendite der PV-Anlage.

Das beste monokristalline Solarmodul ist das bifaziale Solarmodul. Dieses nimmt Licht von beiden Seiten auf und erhöht damit den Photovoltaik-Ertrag.

Hausdach mit monokristallinen Solarmodulen auf dem Dach

Wie der Name schon vermuten lässt, handelt es sich bei den polykristallinen Solarzellen um nicht nur ein Siliziumkristall, sondern um gleich mehrere. Verschiedene Blöcke von Kristallen werden hergestellt und anschließend aneinandergereiht. Dadurch entsteht eine klar erkennbare Kristallstruktur, die charakteristisch für polykristalline Solarzellen ist.

Die Herstellung von polykristallinen Solarzellen ist einfacher als die von monokristallinen Solarzellen. Deswegen sind sie oft auch günstiger. Jedoch leidet der Wirkungsgrad unter den vielen unterschiedlichen Siliziumkristallen. Damit ist diese Solarzelle weniger effizient als die monokristalline Solarzelle.

Die Dünnschichtmodule sind Teil der sogenannten amorphen Solarzelle. Das heißt, dass sie keine kristalline Struktur vorweisen. In der Herstellung wird eine dünne Schicht von Silizium und anderen Stoffen aufgetragen. Diese Schicht ist um einiges dünner als bei der monokristallinen oder polykristallinen Solarzelle.

Durch diese Art der Herstellung werden Materialkosten und Produktionskosten gespart. Deshalb sind Dünnschichtmodule deutlich preiswerter. Ein weiterer Vorteil besteht in der Leichtigkeit der Solarzelle aufgrund der dünneren Schicht. Demzufolge ist die Anbringung an Hauswänden flexibler und leichter.

Aber: Der Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen ist sehr gering. Daher eignen sie sich im Normalfall nicht für PV-Anlagen.

CIGS-Module sind eine spezielle Art der Dünnschichtmodule. In die Dünnschichtmodule wird der Werkstoff Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) verarbeitet. Dies generiert einen deutlich höheren Wirkungsgrad im Vergleich zum normalen Dünnschichtmodul. Dafür sind die Produktionskosten aber auch um einiges höher. Deswegen bleibt es auch hier dabei: Für eine PV-Anlage eignen sich Dünnschichtmodule nicht.

Abbildung, die ein monokristallines Solarmodul, ein polykristallines Solarmodul und ein Dünnschichtmodul nebeneinander zeigt

Neben den drei „Hauptarten“ der Solarzellen gibt es auch noch:

Full-Black-Module: Monokristalline Solarmodule, die durch die schwarze Farbe als "Full-Black-Module" bezeichnet werden.
Glas-Glas-Module: Solarmodule, die vorne und hinten Glas statt Folie haben. Dadurch können sie von beiden Seiten Licht aufnehmen und mehr Strom produzieren.
TOPCon-Module: Solarzellen mit der TOPCon-Technologie, die den Wirkungsgrad des Solarmodule erhöht.
PVT-Module: Module, die sowohl Strom als auch Wärme erzeugen.
Organische Solarzellen: Solarzellen mit geringem Wirkungsgrad, bei dessen Herstellung vermehrt organische Materialien verwendet werden.
Perowskit-Solarzellen: Technologie, die aktuell erforscht wird, um den Wirkungsgrad von Solarzellen weiter zu erhöhen.
PV-Folie: Dünne, flexible Solarzellen mit geringem Wirkungsgrad, die zum Beispiel auf unebenen Flächen eingesetzt werden können.
Transparente Solarmodule: Meist als Synonym für Glas-Glas-Solarmodule verwendet, die durch die Glasschichten auf beiden Seiten transparent sind.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle liegt je nach Modulart bei 5 - 22 %. Die besten Ergebnisse erzielen monokristalline Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 22 %. Die Tabelle gibt den Überblick:

Solarzellentyp	Wirkungsgrad
Monokristalline Solarzellen	18 - 22 %
Polykristalline Solarzellen	15 - 18 %
CIGS-Module	ca. 17 %
Dünnschichtmodule	5 - 10 %

Vor- und Nachteile der verschiedenen Solarzellarten auf einen Blick

Solarzellentyp	Wirkungsgrad	Flächenbedarf	Kosten	Rendite
Monokristalline Solarzelle	hoch	gering	hoch	hoch
Polykristalline Solarzelle	mittel	mittel	mittel	mittel
Dünnschichtzelle	gering	hoch	gering	gering

Unser Tipp: Mit der Erfahrung aus fast 100.000 gebauten PV-Anlagen wissen wir, dass monokristalline Solarzellen in den allermeisten Fällen die beste Wahl ist. Im Idealfall sind sie auch bifazial und verwenden die TOPCon-Technologie, um den Wirkungsgrad der Solarzelle zu maximieren.

Gut zu wissen: Bei Enpal verwenden wir ausschließlich monokristalline, bifaziale Solarmodule mit TOPCon-Technologie.

Häufig gestellte Fragen zu Solarzellen

Den höchsten Wirkungsgrad hat eine vom Fraunhofer ISE entwickelte Solarzelle. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 47,6 %. Diese neue Technologie muss aber noch weiter erforscht werden, bevor sie marktfähig wird.

Von den einsatzfähigen Solarzellen ist dementsprechend die monokristalline Solarzelle die mit dem höchsten Wirkungsgrad. Er liegt in der Regel bei bis zu 22 %.

Eine einzelne Solarzelle produziert ca. 16,7 kWh Strom pro Jahr. Das entspricht ca. 0,05 kWh Strom pro Tag.

Ein einzelnes Solarmodul produziert dementsprechend ca. 1.000 kWh Strom pro Jahr und 2,74 kWh Strom pro Tag.

Bereits 1839 stellte Antoine Becquerel fest, dass man Sonnenstrahlen zur Gewinnung von elektrischer Energie nutzen konnte. Lange Zeit experimentierten zahlreiche Forscher an weiteren Systemen, wie man diese erzeugte Energie produktiv einsetzen kann. Fast 100 Jahre später gelang es dann Chapin, Fuller und Pearson vom Unternehmen Bell im Jahr 1953 die erste Solarzelle aus Silizium zu produzieren. Der Wirkungsgrad zur damaligen Zeit betrug lediglich 6 % und die Produktionskosten waren immens hoch, jedoch war der erste Meilenstein gelegt.

In den nächsten Jahren wurde die Solarzelle vor allem in der Raumfahrt verwendet und an Satelliten befestigt. Über die Jahre forschten weitere Wissenschaftler daran, den Wirkungsgrad immer weiter zu erhöhen und auch die Lebensdauer zu verlängern.

Öffentliches Interesse bekam die Solarzelle vor allem nach Anfang der 1970er durch die erste Ölkrise und die damit verbundenen steigenden Ölpreise. Die Akzeptanz und das Vertrauen auch für die private Nutzung sind in den letzten Jahren um einiges gestiegen. In den letzten Jahrzehnten hat sich das Interesse an der Solarzelle dann nochmals um ein Vielfaches gesteigert. Denn mit dem Voranschreiten des Klimawandels werden nachhaltige, erneuerbare Energien wie die Solarenergie immer wichtiger.

Die Photovoltaik-Forschung für Solarzellen ist noch lange nicht beendet. Perowskit-Solarzellen markieren dabei den vielversprechendsten Entwicklungspfad: Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des Fraunhofer ISE gelang beispielsweise die Herstellung einer Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle, die verschiedene Materialschichten kombiniert, mit 31,6 % Wirkungsgrad. Mit solchen Tandemzellen sollen die theoretischen Effizienzgrenzen von Siliziumzellen durchbrochen werden.

Internationale Forschungsprojekte wie PEARL zielen darauf ab, die Stabilität und Effizienz dieser Technologie zu optimieren und höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Besonders spannend sind Ansätze wie flexible, transparente Solarmodule und gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV), die nicht nur die Energiegewinnung revolutionieren, sondern auch architektonische Möglichkeiten erweitern. Das Ziel ist eine ganzheitliche Transformation: Höhere Effizienz, geringere Produktionskosten, verbesserte Nachhaltigkeit und eine dezentrale Energieversorgung, die den globalen Klimawandel aktiv bekämpft.

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