Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle ist ein elektrisches Bauteil, das Lichtenergie in elektrische Energie umwandelt. Sie wird häufig in Solarzellen-Modulen oder -Panels zusammengefasst, die dann in Photovoltaikanlagen genutzt werden, um Strom zu erzeugen. Die Solarzelle besteht aus Materialien, die Photovoltaikeffekte zeigen, das heißt, dass sie unter dem Einfluss von Licht elektrische Ladungsträger erzeugen und damit Strom erzeugen können.

Was ist der photovoltaische Effekt und wer hat ihn erfunden?

Der photovoltaische Effekt ist der Prozess, bei dem Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Er wurde von dem französischen Physiker Alexandre-Edmond Becquerel entdeckt.

Im Jahr 1839 stellte Becquerel fest, dass, wenn man eine galvanische Zelle mit einer Elektrode aus Silberchlorid und einer Elektrode aus Platin in die Sonne hielt, ein elektrischer Strom floss, wenn man die beiden Elektroden miteinander verband. Dies war der erste Nachweis des photovoltaischen Effekts.

Wer ist der Erfinder der Solarzelle?

Der Erfinder der Solarzelle ist Charles Fritts. Er entwickelte im Jahr 1883 eine Vorform der heutigen Solarzelle, indem er Selenium-beschichtete Zinkplatten zu einer Art Zellenstapel zusammensetzte.

Seine Zellen waren allerdings sehr ineffizient und nur für den Einsatz in winzigen elektrischen Systemen geeignet. Der Durchbruch in der Entwicklung von Solarzellen kam erst in den 1950er-Jahren mit der Entwicklung von Silizium-Solarzellen, die im Vergleich zu früheren Zellen deutlich effizienter waren.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Eine Solarzelle funktioniert, indem sie Lichtenergie in elektrische Energie umwandelt. Dazu besteht sie aus Materialien, die Photovoltaikeffekte zeigen, das heißt, dass sie unter dem Einfluss von Licht elektrische Ladungsträger erzeugen können. Diese Ladungsträger werden dann durch das Material der Solarzelle geleitet und erzeugen dabei elektrischen Strom.

Woraus besteht eine Solarzelle?

Die meisten heutigen Solarzellen bestehen aus Silizium. Silizium ist ein vielfach vorkommendes chemisches Element und ein hervorragendes Material für Solarzellen, weil es Photovoltaikeffekte zeigt, das heißt, dass es unter dem Einfluss von Licht elektrische Ladungsträger erzeugen kann.

Es gibt allerdings auch Solarzellen, die aus anderen Materialien wie beispielsweise Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) oder Cadmium-Tellurid (CdTe) hergestellt werden. Diese Materialien haben den Vorteil, dass sie bei geringeren Lichtintensitäten als Silizium effektiv Strom erzeugen können.

Gereinigtes polykristallines Silicium
Gereinigtes polykristallines Silizium

Was ist der Unterschied zwischen einem Solarkollektor und einem Solarmodul?

Ein Solarkollektor ist ein Bauteil, das Lichtenergie in Wärmeenergie umwandelt. Solarkollektoren werden häufig in Solarwärmekraftwerken oder Solarwärmeanlagen genutzt, um Wasser oder ein anderes Wärmeträgermedium zu erwärmen.

Im Gegensatz dazu wandelt ein Solarmodul oder eine Solarzelle Lichtenergie direkt in elektrische Energie um. Solarmodule werden häufig in Photovoltaikanlagen genutzt, um Strom zu erzeugen.

Wie wird aus Silizium eine Solarzelle?

Um aus Silizium eine Solarzelle herzustellen, wird das Silizium zunächst gereinigt und in eine Kristallform gebracht. Dieser Kristall wird dann in dünne Scheiben geschnitten und mit anderen Materialien wie beispielsweise Bor oder Phosphor behandelt, um sogenannte p-n-Übergänge zu erzeugen.

Diese p-n-Übergänge sind die aktive Schicht in einer Solarzelle, in der die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Solarzelle wird dann in ein Gehäuse eingebettet und mit Kontaktleitungen verbunden, damit der erzeugte Strom geerntet werden kann.

Hier finden Sie weitere Informationen zu diesem Thema.

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?

Eine Solarzelle besteht im Grunde aus zwei Hauptkomponenten: dem aktiven Material, in dem die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, und den Kontaktleitungen, die den erzeugten Strom abgreifen und weiterleiten.

Das aktive Material in einer Solarzelle ist in der Regel eine Schicht aus Silizium, die durch eine spezielle Behandlung mit anderen Materialien wie beispielsweise Bor oder Phosphor sogenannte p-n-Übergänge erzeugt. Diese p-n-Übergänge sind die Stellen, an denen die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Die Kontaktleitungen sind meist aus Metall und sind an den Rändern der Solarzelle angebracht. Sie greifen den erzeugten Strom ab und leiten ihn weiter zu den elektrischen Komponenten der Photovoltaikanlage. Die Solarzelle wird dann in ein Gehäuse eingebettet, um sie vor Schäden und Verunreinigungen zu schützen.

Welche Typen von Solarzellen gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen, die sich in ihrem Material und ihrer Bauweise unterscheiden. Die am häufigsten verwendeten Solarzellen sind Silizium-Solarzellen, die entweder als monokristalline oder als polykristalline Solarzellen hergestellt werden.

Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall und haben eine hohe Effizienz, aber auch einen hohen Preis. Polykristalline Solarzellen bestehen aus mehreren kleineren Siliziumkristallen und sind etwas weniger effizient, aber auch preiswerter.

Es gibt auch Solarzellen aus anderen Materialien wie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) oder Cadmium-Tellurid (CdTe), die bei geringeren Lichtintensitäten als Silizium Solarzellen effektiv Strom erzeugen können. Diese werden auf amorphe Solarzellen genannt.

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen sind Solarzellen, die aus einem einzigen Siliziumkristall hergestellt werden. Sie zeichnen sich durch ihre hohe Effizienz aus, das heißt, sie können aus einer gegebenen Menge an Lichtenergie einen größeren Anteil an elektrischer Energie gewinnen als andere Solarzellen.

Allerdings sind sie auch teurer als andere Solarzellen, weil der Herstellungsprozess aufwändiger ist. Monokristalline Solarzellen sind schwarz und haben eine regelmäßige, kristalline Struktur. Sie werden häufig in Photovoltaikanlagen eingesetzt.

Monokristalines_Silizium_für_die_Waferherstellung Bildquelle: Saperaud_Wikipedia

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen sind Solarzellen, die aus mehreren kleineren Siliziumkristallen hergestellt werden. Im Gegensatz zu monokristallinen Solarzellen sind sie etwas weniger effizient, das heißt, sie können aus einer gegebenen Menge an Lichtenergie einen kleineren Anteil an elektrischer Energie gewinnen.

Allerdings sind sie auch preiswerter als monokristalline Solarzellen, weil der Herstellungsprozess einfacher ist. Polykristalline Solarzellen sind blau und haben eine unregelmäßige, kristalline Struktur. Sie werden ebenfalls häufig in Photovoltaikanlagen eingesetzt.

Amorphe Solarzellen

Bei amorphen Solarzellen handelt es sich nicht mehr um einzelne kleine Solarzellen, die nach der Herstellung verschaltet werden müssen. Das Modul wird stattdessen in einem Stück produziert. Dabei wird das Halbleitermaterial als hauchdünne Schicht auf Glas oder Metallfolie aufgebracht. Diese Schichten sind nur ein Hundertstel so dick wie bei den kristallinen Solarzellen.

Manche Hersteller kombinieren mehrere Solarzellenschichten übereinander, um verschiedene Lichtanteile besser zu nutzen und damit herbere Wirkungsgrade zu erzielen. Hier finden Sie weiter Informationen.

Welchen Wirkungsgrad können moderne Solarzellen haben?

Moderne Solarzellen können einen Wirkungsgrad von bis zu 25 Prozent erreichen. Das bedeutet, dass sie aus einer gegebenen Menge an Lichtenergie bis zu 25 Prozent an elektrischer Energie gewinnen können.

Allerdings hängt der tatsächliche Wirkungsgrad einer Solarzelle auch von vielen anderen Faktoren ab, wie beispielsweise der Qualität des verwendeten Materials, der Temperatur und dem Alter der Solarzelle. Im Durchschnitt haben Solarzellen heute einen Wirkungsgrad von etwa 15-20 Prozent.

Wie könnte man den Wirkungsgrad von Solarzellen weiter steigern?

Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist von vielen Faktoren abhängig und hängt unter anderem vom verwendeten Material, von der Qualität der Herstellung und von den Betriebsbedingungen ab. Es gibt jedoch einige Möglichkeiten, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu steigern:

  • Verwendung von hochwertigeren Materialien: Der Wirkungsgrad von Solarzellen hängt auch von der Qualität des verwendeten Materials ab. Indem man hochwertige Halbleitermaterialien wie beispielsweise Silizium von höherer Reinheit verwendet, kann man den Wirkungsgrad von Solarzellen verbessern.

  • Optimierung der Zellstruktur: Die Zellstruktur, also die Anordnung und Schichtdicke der Materialien in der Solarzelle, beeinflusst auch den Wirkungsgrad. Indem man die Zellstruktur optimiert, kann man die Effizienz der Solarzelle erhöhen.

  • Nutzung von Multiplexing-Technologien: Multiplexing ist eine Technologie, die es ermöglicht, mehrere Solarzellen zu einem Modul zusammenzufassen. Durch Multiplexing kann man den Wirkungsgrad von Solarzellen erhöhen, indem man den Ausgangsstrom des Moduls erhöht.

  • Nutzung von speziellen Beschichtungen, die auf die Solarzelle aufgetragen werden können. Diese Beschichtungen können die Lichtabsorption verbessern und dadurch den Wirkungsgrad erhöhen.

  • Auch die Nutzung von neuen Technologien wie beispielsweise organischen Solarzellen oder Perowskit-Solarzellen kann dazu beitragen, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu steigern.

Zukünftig werden sicherlich noch weitere Technologien entwickelt, die den Wirkungsgrad von Solarzellen weiter steigern können.

Quelle: Wikipedia

Warum nutzt man Halbleiter für eine Solarzelle?

Halbleitermaterialien werden in Solarzellen verwendet, weil sie Photovoltaikeffekte zeigen, das heißt, sie können unter dem Einfluss von Licht elektrische Ladungsträger erzeugen. Diese Ladungsträger werden dann durch das Material der Solarzelle geleitet und erzeugen dabei elektrischen Strom.

Halbleitermaterialien sind auch deshalb geeignet, weil sie bei Raumtemperatur leitfähig sind, aber durch das Zufügen von imprägnierenden Atomen, wie beispielsweise Bor oder Phosphor, die Leitfähigkeit in bestimmten Bereichen gezielt reduzieren kann.

Dies ermöglicht es, in der Solarzelle spezielle Strukturen, sogenannte p-n-Übergänge, zu erzeugen, an denen die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Am häufigsten werden für Solarzellen Silizium-Halbleiter verwendet, weil Silizium sowohl in monokristalliner als auch in polykristalliner Form leicht herstellbar ist und eine hohe Effizienz aufweist.

Wie wird aus einer Solarzelle ein Solarmodul?

Um aus einer Solarzelle ein Solarmodul herzustellen, werden mehrere Solarzellen zu einem Zellenstapel zusammengefügt. Dieser Zellenstapel wird dann in ein Gehäuse eingebettet und mit einer Rückseite, einem Rahmen und einer Abdeckung versehen. Die Rückseite dient als Verstärkung und als Schutz vor mechanischen Schäden.

Der Rahmen hält das Solarmodul zusammen und ermöglicht es, das Modul an der Photovoltaikanlage zu befestigen. Die Abdeckung schützt die Zellen vor Schmutz und Verunreinigungen und dient gleichzeitig als Sonnenschutz. Das Solarmodul wird dann an den elektrischen Komponenten der Photovoltaikanlage angeschlossen und kann dann Strom erzeugen.

Wie können Solarzellen entsorgt werden?

Solarzellen bestehen aus verschiedenen Materialien, die sorgfältig entsorgt werden müssen, um Umweltverschmutzung und Ressourcenverbrauch zu vermeiden. Die meisten Solarzellen enthalten Silizium, Glas, Metall und andere Materialien, die recycelt werden können.

Das Silizium kann zum Beispiel in neue Solarzellen oder andere Halbleiterbauteile verarbeitet werden. Das Glas kann zu neuen Gläsern verarbeitet werden, und das Metall kann geschmolzen und wiederverwendet werden. Es ist wichtig, dass Solarzellen fachgerecht entsorgt werden, damit möglichst viele der enthaltenen Materialien wiederverwendet werden können. Weitere Informationen finden Sie hier.

Kann man mit Solarzellen heizen?

Solarzellen können zwar Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln, aber sie eignen sich nicht zur direkten Erzeugung von Wärmeenergie. Wenn man Solarzellen nutzen möchte, um ein Gebäude oder Wasser zu erwärmen, muss man zusätzlich eine Wärmepumpe oder einen Wärmeübertrager verwenden, der die elektrische Energie aus den Solarzellen in Wärmeenergie umwandelt.

Solarkollektoren sind besser geeignet für die direkte Nutzung von Sonnenenergie zur Erzeugung von Wärmeenergie. Sie sind speziell für diesen Zweck entwickelt und können daher direkt zur Erwärmung von Wasser oder Luft verwendet werden.

Was sind die Vor- und Nachteile von Solarzellen?

Die Vorteile von Solarzellen sind, dass sie saubere und erneuerbare Energiequellen sind, die keine Schadstoffemissionen verursachen. Sie können überall dort eingesetzt werden, wo genügend Sonnenlicht vorhanden ist, und sind in der Regel wartungsarm und langlebig.

Solarzellen haben auch den Vorteil, dass sie dezentral erzeugt werden können und somit die Unabhängigkeit von zentralen Energieversorgern erhöhen.

Es gibt keine Nachteile für Solarzellen. Höchsten, dass manche Menschen Solarzellen oder Photovoltaikanlagen als optische nicht schön empfinden.

 

Wo werden Solarzellen überall genutzt?

Solarzellen werden hauptsächlich in Photovoltaikanlagen genutzt, um Strom zu erzeugen. Photovoltaikanlagen können auf Dächern von Wohn- und Gewerbegebäuden, auf Freiflächen oder auf anderen Orten installiert werden, wo genügend Sonnenlicht vorhanden ist.

Solarzellen werden aber auch in anderen Anwendungen wie beispielsweise in Solar-Ladegeräten für Handys oder tragbare Geräte, in Solar-Taschenlampen oder in Solartechnik für Raumfahrtanwendungen genutzt.

Solarzellen auf einem Raumschiff Space X
Solarzellen auf einem Raumschiff Space X

Gibt es Solarzellen, die auch nachts funktionieren?

Im Allgemeinen funktionieren Solarzellen nur, wenn sie Lichtenergie aufnehmen können, das heißt, wenn die Sonne scheint oder wenn künstliche Lichtquellen vorhanden sind. In der Nacht können Solarzellen daher nicht Strom erzeugen. Es gibt jedoch auch andere Technologien, die die Energie aus Sonnenlicht speichern und dann auch in der Nacht nutzen können.

Ein Beispiel hierfür sind thermische Solarkollektoren, die die Sonnenenergie zur Erwärmung von Wasser oder Luft nutzen und dann die gespeicherte Wärmeenergie über Nacht freisetzen können. Es gibt auch andere Technologien, die Energie aus Licht speichern können, wie beispielsweise chemische Energiespeicher oder Batterien. Diese Technologien können dann auch in der Nacht genutzt werden, um elektrischen Strom zu erzeugen.

Wie alt können Solarzellen werden?

Die Lebensdauer von Solarzellen kann sehr unterschiedlich sein und hängt von verschiedenen Faktoren wie der Qualität des verwendeten Materials, der Installationsbedingungen und der Wartung ab.

Im Durchschnitt haben Solarzellen heute eine Lebensdauer von etwa 25-30 Jahren. In dieser Zeit können sie eine hohe Leistung erbringen und eine signifikante Menge an elektrischer Energie erzeugen. Nach Ablauf ihrer Lebensdauer können Solarzellen recycelt werden, um möglichst viele der enthaltenen Materialien wiederzuverwenden.

Wie viele Solarzellen würden benötigt, um damit den Strombedarf der Welt zu denken?

Es ist schwierig, genau zu sagen, wie viele Solarzellen benötigt würden, um den gesamten Strombedarf der Welt zu decken. Die Menge an Solarzellen, die benötigt wird, hängt von vielen Faktoren ab, wie beispielsweise der geografischen Verteilung der Bevölkerung, der durchschnittlichen Stromnachfrage pro Person und dem durchschnittlichen Wirkungsgrad der Solarzellen.

Es ist jedoch möglich, einige grobe Schätzungen anzustellen. Laut Schätzungen der Internationalen Energieagentur betrug der weltweite Stromverbrauch im Jahr 2019 etwa 25.000 Terawattstunden.

Wenn man davon ausgeht, dass eine Solarzelle einen Wirkungsgrad von etwa 15 Prozent hat und dass sie durchschnittlich 1.500 Stunden pro Jahr Lichtenergie aufnehmen kann, dann wären etwa 33 Billionen Solarzellen erforderlich, um den gesamten Strombedarf der Welt zu decken.

Diese Zahl ist natürlich sehr groß und nur eine grobe Schätzung, aber sie zeigt, dass sehr viele Solarzellen benötigt werden würden, um den gesamten Strombedarf der Welt zu decken. Hier finden Sie die Antwort auf die Frage, „Wie viele Solarzellen ersetzen ein Atomkraftwerk?“