Solarzelle – Aufbau und Funktion
Eine Solarzelle wandelt Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Das Funktionsprinzip beruht auf dem photovoltaischen Effekt in einem Halbleiter-pn-Übergang: Einfallendes Licht erzeugt freie Ladungsträger, die durch das innere elektrische Feld getrennt und als Gleichstrom abgeführt werden. Moderne kristalline Silizium-Zellen erreichen Wirkungsgrade von 22 bis 26 Prozent.
Das Grundprinzip
Eine Solarzelle wandelt Licht direkt in elektrischen Strom um — ohne bewegliche Teile, ohne Verbrennung, ohne Lärm. Das Funktionsprinzip heißt photovoltaischer Effekt und wurde bereits 1839 von Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. Die technische Umsetzung in kristallinen Silizium-Zellen begann in den 1950er Jahren bei den Bell Laboratories.
Der Vorgang in drei Schritten:
- Licht trifft auf den Halbleiter — Photonen mit ausreichender Energie werden absorbiert
- Ladungsträger werden erzeugt — jedes absorbierte Photon erzeugt ein Elektron-Loch-Paar
- Ladungsträger werden getrennt — das innere elektrische Feld am pn-Übergang treibt die Ladungen zu den Kontakten
Der pn-Übergang
Das Herzstück jeder Solarzelle ist der pn-Übergang — eine Grenzschicht zwischen zwei unterschiedlich dotierten Siliziumschichten:
| Schicht | Dotierung | Ladungsträger |
|---|---|---|
| n-Schicht (Vorderseite) | Phosphor (5 Valenzelektronen) | Überschüssige Elektronen |
| p-Schicht (Basis) | Bor (3 Valenzelektronen) | Überschüssige Löcher |
An der Grenzfläche diffundieren Elektronen und Löcher aufeinander zu und rekombinieren. Dadurch entsteht eine Raumladungszone — eine dünne Schicht, in der ein elektrisches Feld herrscht. Dieses Feld ist die Triebkraft der Solarzelle: Es trennt die lichtgenerierten Ladungsträger und erzeugt eine Spannung.
Aufbau einer kristallinen Solarzelle
Von oben nach unten besteht eine typische Solarzelle aus:
- Antireflexionsbeschichtung (SiNx, ~80 nm) — Minimiert Lichtreflexion, gibt der Zelle ihre typisch blaue oder schwarze Farbe
- Metallgrid / Fingerkontakte (Silber) — Sammelt den Strom von der Vorderseite
- n-Schicht (Phosphor-dotiertes Silizium, wenige Mikrometer) — Emitter
- pn-Übergang / Raumladungszone (wenige hundert Nanometer)
- p-Schicht (Bor-dotiertes Silizium, ~150 µm) — Basis, absorbiert den Großteil des Lichts
- Rückseitenpassivierung (je nach Technologie: Al₂O₃, SiNx, amorphes Si)
- Rückseitenkontakt (Aluminium oder Silber)
Die Zelle ist typischerweise 150 bis 180 Mikrometer dünn — dünner als ein menschliches Haar. Moderne Fertigungsverfahren streben noch dünnere Wafer an, um Silizium zu sparen.
Kennlinie und Kennwerte
Jede Solarzelle hat eine charakteristische U-I-Kennlinie, die das Verhältnis zwischen Spannung (U) und Strom (I) beschreibt:
| Kennwert | Symbol | Typischer Wert (TOPCon) |
|---|---|---|
| Kurzschlussstrom | Isc | 12–14 A |
| Leerlaufspannung | Voc | 710–730 mV |
| Maximum Power Point | Pmpp | 8,5–10 W (pro Zelle) |
| Füllfaktor | FF | 80–83 % |
| Wirkungsgrad | η | 24–25,5 % |
Der Füllfaktor beschreibt, wie nah die reale Kennlinie an einem idealen Rechteck liegt. Je höher der Füllfaktor, desto besser nutzt die Zelle ihr Potenzial aus.
Vom Wafer zum Modul
Eine einzelne Solarzelle liefert nur 0,5 bis 0,7 Volt — zu wenig für praktische Anwendungen. Deshalb werden Zellen in einem Modul in Reihe geschaltet:
- Wafer-Produktion: Silizium-Ingot wird in dünne Scheiben gesägt
- Zellfertigung: Dotierung, Passivierung, Kontaktierung
- Zelltest und Sortierung: Jede Zelle wird auf Leistung gemessen
- Verschaltung: 60, 72 oder 144 Halbzellen werden in Reihe und parallel verbunden
- Laminierung: Zellen werden zwischen Glas und Folie (oder Glas-Glas) eingebettet
- Rahmung und Anschlussdose: Mechanischer Schutz und elektrischer Anschluss
Ein typisches 72-Zellen-Modul (je zur Hälfte geteilt = 144 Halbzellen) erreicht Nennleistungen von 400 bis 650 Wp.
Zelltypen im Überblick
| Technologie | Material | Wirkungsgrad (Zelle) | Marktanteil 2025 |
|---|---|---|---|
| Monokristallin PERC | Mono-c-Si | 22–24 % | Rückläufig |
| Monokristallin TOPCon | Mono-c-Si | 24–26 % | Marktführer |
| HJT | c-Si + a-Si | 24–26,8 % | Nische, wachsend |
| IBC | Mono-c-Si | 24–26,7 % | Nische (Premium) |
| Dünnschicht (CdTe) | Cadmiumtellurid | 18–22 % | Freiflächen-Nische |
| Perowskit | Organisch-anorganisch | 26+ % (Labor) | Noch nicht kommerziell |
Die kristallinen Silizium-Technologien dominieren mit über 95 % des Weltmarkts. Dünnschicht-Zellen (CdTe, CIGS) besetzen eine Nische bei Freiflächenanlagen. Perowskit-Zellen befinden sich in der Pilotphase und versprechen als Tandem mit Silizium Wirkungsgrade über 30 %.
Grenzen des Wirkungsgrads
Die Shockley-Queisser-Grenze setzt das theoretische Maximum für eine Silizium-Einzelzelle bei 29,4 %. Verluste entstehen durch:
- Thermalisierung: Photonen mit mehr Energie als die Bandlücke (1,12 eV) verlieren den Überschuss als Wärme
- Transmission: Photonen mit weniger Energie durchdringen die Zelle ungenutzt
- Rekombination: Ein Teil der erzeugten Ladungsträger geht verloren, bevor er die Kontakte erreicht
- Reflexion und Abschattung: Licht wird reflektiert oder durch das Metallgrid blockiert
Tandemzellen (z. B. Perowskit auf Silizium) umgehen die Grenze, indem sie verschiedene Wellenlängen in getrennten Schichten absorbieren — im Labor bereits über 33 % Wirkungsgrad.