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Funktionsweise einer Solarzelle einfach erklärt

Was passiert eigentlich innerhalb einer Solarzelle, damit aus Sonnenlicht elektrische Energie werden kann? Wir zeigen die Funktionsweise einer Solarzelle.

Aufbau und Funktionsweise: So erzeugt eine Solarzelle Strom


In einer Photovoltaik-Anlage arbeiten viele Solarmodule. Diese wiederum bestehen aus zusammengeschlossenen Solarzellen, die die Energie des Sonnenlichts in Strom umwandeln können.

So funktioniert eine Solarzelle


Die Energie des Sonnenlichts befindet sich in Photonen, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind. Je nach Wellenlänge des Lichts enthalten Photonen unterschiedlich viel Energie. 

Wenn die Sonne auf eine Solarzelle scheint, trifft ein Teil der Photonen auf den Halbleiter Silizium innerhalb der Solarzelle und wird absorbiert, um Strom zu erzeugen beziehungsweise die Sonnenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die übrigen Photonen werden entweder reflektiert oder scheinen durch die Solarzelle hindurch.

Silizium: Der Kieselerde-Halbleiter


Silizium ist ein klassisches Halbmetall und besteht aus einer grau-schwarzen Kristallstruktur, die metallisch glänzt. Nach dem Sauerstoff ist es das zweithäufigste chemische Element in der Erdkruste. Für den Menschen ist es in gebundener Form ungiftig, sogar ein wichtiges Spurenelement, das für Wachstum und Erhalt der Knochen wichtig ist. Pro Kilogramm Gewicht enthält der menschliche Körper etwa 20 Milligramm Silizium.

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?


In einer Solarzelle gibt es zwei Siliziumschichten: Eine sogenannte n-Schicht, die mit Phosphor angereichert und negativ dotiert ist, und eine p-Schicht, die mit Bor angereichert und positiv dotiert ist.

Während die n-Schicht einen Elektronenüberfluss hat, „fehlt“ der p-Schicht ein Elektron, um ausgeglichen zu sein. Man spricht deshalb von positiv geladenen Löchern in der p-Schicht. Bringt man p-Schicht und n-Schicht zusammen, wandern die überschüssigen Elektronen der n-Schicht in die positiv geladenen Löcher der p-Schicht und ein elektrisches Feld entsteht – die sogenannte Grenzschicht oder der p-n-Übergang zwischen den beiden Siliziumschichten. Dieser befindet sich in der Mitte der Solarzelle.

Die Photonen bringen Bewegung in die Grenzschicht, denn durch das Eintreffen der Photonen bewegen sich die Elektronen in der Grenzschicht und wandern in die p-Schicht. Die positiv geladenen Löcher wandern wiederum in die n-Schicht.

Außen befinden sich Metallkontakte an einer Solarzelle. Diese verbinden die n-Schicht und p-Schicht über eine Leiterbahn jeweils mit dem entgegengesetzten Pol, sodass Strom fließen kann.

Dieser Strom ist selbst erzeugter Gleichstrom, der bei einer Photovoltaik-Anlage zunächst zum Wechselrichter geleitet und dort in nutzbaren Wechselstrom umgewandelt wird. Diesen können Sie dann entweder direkt selbst verbrauchen, in einem Photovoltaik-Stromspeicher für späteren Verbrauch speichern oder gegen eine Einspeisevergütung in das allgemeine Stromnetz einspeisen.

Wie viel Strom erzeugt eine Solarzelle?


Wie viel Strom eine Solarzelle erzeugt, hängt einerseits von den Sonnenstunden und dem Stand der Sonne ab und andererseits von der Effizienz der Solarzelle selbst. Diese bestimmt darüber, wie viel Photovoltaik-Leistung pro Quadratmeter zur Verfügung steht. Üblicherweise wird die Leistung einer Photovoltaik-Anlage pro Modul berechnet. Bei diesen wiederum kommt es auf Anzahl, Größe und Effizienz an.

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