Wie funktionieren die Solarzellen einer PV-Anlage?

Die Solarpanele auf dem Hausdach sind das Herzstück jeder Photovoltaikanlage. Ihre Zellen sind es, die das Sonnenlicht sammeln und in elektrische Energie umwandeln. Doch wie machen die Solarzellen das genau?

Wie erzeugen PV-Solarzellen elektrische Energie?

Ein Solarpanel besteht aus vielen einzelnen Solarzellen. Diese wiederum bestehen hauptsächlich aus hauchdünnen Siliziumscheiben (Waver), deren Ober- und Unterseiten über winzige Kabel verbunden sind. Das Funktionsprinzip der PV-Solarzellen ist – in der Kurzversion – relativ einfach erklärt: Durch das Einwirken von Sonnenstrahlen werden die Elektronen des Siliziums in Bewegung versetzt. Dadurch entsteht elektrischer Strom.

Die Langversion ist etwas komplizierter, aber wir bemühen uns trotzdem um Verständlichkeit. Schauen wir uns hierfür zunächst den Aufbau einer PV-Zelle an:

Wie ist eine PV-Solarzelle aufgebaut?

Eine PV-Zelle besteht aus einer millimeterdünnen Siliziumscheibe (Waver), deren Ober- und Unterseite mit einem winzigen Kabel verbunden ist. Dem Silizium wurden außerdem noch 2 weitere chemische Elemente hinzugefügt: Phosphat auf der Oberseite und Bor auf der Unterseite. Dieses Einbringen von Fremdatomen in die Gitterstruktur eines Halbleiterkristalls (hier: Silizium) nennt man Dotieren. Dadurch geschieht Folgendes:

In der oberen Schicht der Zelle wurden dem Siliziumgitter einige Phosphatatome hinzugefügt. Während Siliziumatome vier Außenelektronen haben, sind es bei Phosphat dagegen fünf. Innerhalb der Siliziumstruktur haben die Phosphatatome also ein Außenelektron „übrig“. Man nennt diesen Zustand auch „n-Dotierung“ („n“ für „negativ).
In der unteren Zellenschicht wurde dem Silizium dagegen etwas Bor hinzugefügt. Bor hat nur 3 Außenelektronen, und damit im Vergleich zum umgebenden Silizium ein Elektron zu wenig. Diesen Zustand nennt man „p-Dotierung“ („p“ für „positiv“.)

Zwischen den beiden Schichten bildet sich nun eine Grenzschicht, in der die frei verfügbaren Phosphatelektronen die „Löcher“ beim Brom füllen. Das heißt, die „überschüssigen“ Elektronen des Phosphats wandern zum „unterversorgten“ Brom. Dadurch verschiebt sich die Ladung innerhalb der Zelle. An der Oberseite des Silizium-Wavers entsteht ein Plus- und an der Unterseite ein Minuspol.

Was passiert, wenn Licht auf die PV-Zelle trifft?

Zunächst schauen wir uns den Ist-Zustand in der Grenzschicht an: Auf den ersten Blick sieht dort alles stabil aus. Denn durch das zusätzliche, vom Phosphat übernommene Außenelektron fügt sich das Bor harmonisch in das Siliziumgitter ein. Aber: Normalerweise hat Bor ja nur 3 Elektronen auf der Außenhülle; sein Zustand in der Grenzschicht widerspricht also in gewisser Weise seiner Natur.

Wenn nun die Photonen des Lichts auf die Grenzschicht treffen, werden die Elektronen des Bors in Bewegung versetzt. Das Bor „erinnert“ sich dann, dass es sich ja eigentlich nur mit 3 Elektronen umgibt. Also gibt es ein Elektron wieder frei, woraufhin dieses nach oben zum Pluspol der Zelle wandert. So ganz optimal gefällt das dem Bor aber auch nicht, denn jetzt sind da wieder „Löcher“ in der Gitterstruktur. Um diese zu füllen, rücken Elektronen von weiter unten gelegenen Boratomen nach, wodurch neue Löcher entstehen. Praktischerweise sind die Oberseite (+) und die Unterseite (-) der Zelle mit winzigen Kabeln verbunden. Deshalb können die oben ankommenden Elektronen nach unten abfließen und dort in die „Löcher“ nachrücken. Die Elektronen werden sozusagen von unten nach oben durchgereicht. Kurz gesagt: Es fließt ein elektrischer Strom.

Welche Solarzellen-Arten bzw. Herstellungsverfahren gibt es?

Für gängige Anwendungen, z.B. in Solarpanelen, sind derzeit drei verschiedene Solarzellen-Arten verfügbar. Diese werden unterschiedlich hergestellt und weisen jeweils eigene Vor- und Nachteile auf:

Monokristalline Solarzellen: Die PV-Zellen bestehen aus einkristallinem Silizium, das aus flüssigem Silizium gezogen und in millimeterdünne Scheiben (Waver) geschnitten wird. Die Brom-Dotierung der unteren Schicht findet vor dem Ziehen der Kristalle statt. Die Phosphat-Dotierung erfolgt dagegen nach dem Zerschneiden in Waver. Mit einem Wirkungsgrad von 20% arbeiten monokristalline Zellen sehr effizient, allerdings sind sie aufgrund ihrer aufwändigen Herstellung vergleichsweise teuer.
Polykristalline Zellen: Diese Solarzellen bestehen aus mehreren, unterschiedlich großen Kristallen. Die Zellen werden hergestellt, indem bromdotiertes Silizium in einen Block gegossen, in Waver zerteilt und danach mit Phosphor dotiert wird. Da dieses Verfahren einfacher ist als das Ziehen monokristalliner Strukturen, sind die Herstellungskosten geringer. Der Wirkungsgrad polykristalliner PV-Zellen beträgt jedoch nur 15%.
Dünnschicht-PV-Zellen: Bei diesen Zellen wird dotiertes Silizium mit weiteren Materialien vermischt und auf eine dünne Trägerschicht, z.B. Folien oder Glas, aufgedampft. Der Wirkungsgrad von Dünnschicht-Zellen beträgt lediglich 5 bis 10%. Dafür lassen sie sich in nahezu jede Form bringen und können kostengünstig in großem Maßstab produziert werden.

Fazit

Alle Solarzellen, die heute in Solarpanelen zum Einsatz kommen, sind vom Prinzip her gleich aufgebaut. Eine Zelle besteht aus drei Schichten Silizium, wobei die obere Siliziumschicht auch Phosphor-Atome und die untere Schicht auch Brom-Atome enthält. Dadurch verschiebt sich die Ladung innerhalb der Zelle; es bilden sich ein Plus- und ein Minuspol. Durch das Einwirken von Licht werden die ungleich verteilten Elektronen in Bewegung versetzt; sie wandern innerhalb der Zelle von unten nach oben und werden durch ein Kabel wieder zurückgeführt: es fließt elektrischer Strom. PV-Zellen können in verschiedenen Verfahren hergestellt werden, sie unterscheiden sich bezüglich ihrer Wirkungsgrade und Produktionskosten.