Solarenergie erklären: Wie funktioniert eine Solarzelle?

Solarenergie ist eine der saubersten Energieformen, die Hausbesitzern heute zur Verfügung steht. Mit einer geringen Anfangsinvestition können Sie Ihre Stromrechnung senken und gleichzeitig die Umwelt schonen. Das Herzstück jeder Solaranlage ist die Solarzelle, die Sonnenlicht in Strom umwandelt. Doch wie funktioniert eine Solarzelle?

In diesem Artikel werden Sie in die faszinierende Welt der Solarzellen eingeführt. Wie funktionieren Solarzellen? Welche Arten von Solarzellen gibt es? Wie werden sie in Photovoltaikanlagen eingesetzt und wie sieht die Zukunft dieser wichtigen Technologie aus? Wir werden Ihnen alle Antworten erklären. Lesen Sie weiter, um mehr über diese erneuerbare Energiequelle zu erfahren.

Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle, auch Photovoltaik (PV) Zelle genannt, ist ein Gerät, das Sonnenlicht auffängt und in Elektrizität umwandelt. Sie besteht aus Halbleitermaterialien wie Silizium, die die Photonen des Sonnenlichts absorbieren. Solarzellen sind die Grundbausteine von Sonnenkollektoren, bei denen mehrere Zellen zusammengeschaltet werden, um die Leistung zu erhöhen. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von kleinen Geräten wie Straßenschildern über das 

kompakte Balkonkraftwerk auf städtischen Wohnhäusern bis hin zu großen Solarenergiesystemen, die Strom für Unternehmen liefern.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Die Frage, welche Funktionsweise Solarzelle verwendet, kann einfach beantwortet werden. Im Wesentlichen wandelt eine Solarzelle Sonnenenergie in Elektrizität um, und zwar durch einen Prozess, der als photovoltaischer Effekt bezeichnet wird. Dieser Prozess beginnt, wenn die Photonen des Sonnenlichts auf das in der Zelle verwendete Halbleitermaterial, in der Regel Silizium, treffen. Die Energie der Photonen regt Elektronen an, die dadurch freigesetzt werden und Löcher (das Fehlen eines Elektrons, das sich wie eine positive Ladung verhält) im Silizium erzeugen.

Eine Solarzelle besteht aus zwei Arten von Siliziumschichten, einer positiv dotierten (p-Typ) und einer negativ dotierten (n-Typ). An ihrer Grenzfläche baut sich ein elektrisches Feld auf. Dieses Feld lenkt die freien Elektronen zur n-Schicht und die Löcher zur p-Schicht, so dass sie nicht rekombinieren können.

Wenn diese Ladungsträger durch das elektrische Feld bewegt werden, beginnt ein elektrischer Strom zu fließen. Wird die Zelle an einen externen Stromkreis angeschlossen, kann dieser Strom für nützliche Zwecke verwendet werden, z. B. zum Betreiben von Elektronik oder zur Einspeisung in das Stromnetz.

Arten von Solarzellen

Die Solartechnologie hat sich erheblich weiterentwickelt, was zur Entwicklung verschiedener Arten von Solarzellen geführt hat, von denen jede ihre eigenen Eigenschaften und Anwendungen hat. Im Folgenden werden wir die drei gebräuchlichsten Typen von Solarzellen vorstellen:

Monokristalline Solarzelle

Monokristalline Solarzellen sind für ihren hohen Wirkungsgrad und ihre lange Lebensdauer bekannt und beliebt. Diese Zellen, die aus einer einzigen durchgehenden Kristallstruktur bestehen, liefern die höchste Leistung, da sie einen gleichmäßigen Weg für die Elektronen bieten, was zu einer Minimierung der Verluste und einer Erhöhung der Effizienz führt.

Diese Zellen sind für ihr elegantes schwarzes Aussehen bekannt. Ihre Langlebigkeit und Effizienz machen sie zu einer beliebten Wahl für private und gewerbliche Solaranwendungen. Die monokristallinen Solarzellen, die in dem Anker SOLIX Balkonkraftwerk (2*RS40P Panel 445W, Mikro-Wechselrichter 600W/800W, Balkonhalterungen) verwendet werden, haben z. B. einen beeindruckenden Wirkungsgrad von 25% und maximieren so die Umwandlung von Solarenergie auf dem begrenzten Platz auf Ihrem Balkon.

Polykristalline Solarzelle

Polykristalline Solarzellen werden aus mehreren Siliziumkristallen hergestellt, die miteinander verschmolzen werden. Dieser Prozess ist weniger energieintensiv als bei monokristallinen Zellen, daher sind polykristalline Module kostengünstiger. Sie sind leicht an ihrem blauen, fleckigen Aussehen und ihren kantigen Kanten zu erkennen. Obwohl sie aufgrund von Korngrenzen, die den Elektronenfluss behindern können, etwas weniger effizient sind als ihre monokristallinen Gegenstücke, bieten polykristalline Zellen eine ausgewogene Lösung für diejenigen, die einen Kompromiss zwischen Effizienz und Kosten suchen.

Dünnschicht Solarzelle

Dünnschicht Solarzellen sind ein weiterer Ansatz, bei dem Schichten aus photovoltaischem Material auf ein Substrat aufgebracht werden. In diese Kategorie fallen verschiedene Technologien wie amorphes Silizium (a-Si), Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer Indium Gallium Selenid (CIGS), von denen jede ihre eigenen Vorteile und Herausforderungen hat.

Dünnschichtzellen sind leicht, flexibel und weniger anfällig für hohe Temperaturen und Verschattung. Im Vergleich zu kristallinen Siliziumzellen haben sie einen geringeren Wirkungsgrad, können aber kostengünstiger hergestellt und auf mehr Oberflächen aufgebracht werden, was sie ideal für große Anlagen und integrierte Photovoltaiklösungen macht.

Wie funktionieren Solarzellen in Photovoltaikanlagen

Solarzellen sind die Grundeinheiten von Photovoltaiksystemen, die in ihrer Gesamtheit Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Der Weg vom Sonnenlicht zum nutzbaren Strom erfordert jedoch ein ganzes PV-System, um die Sonnenenergie effizient einzufangen, umzuwandeln und zu speichern. Hier ist die Solarzellen Funktionsweise, wie es in Verbindung mit einem Balkonkraftwerk mit Speicher durchgeführt wird:

1. Sonnenenergie einfangen:Das Balkonkraftwerk besteht aus einem oder mehreren kleinen Solarmodulen, die auf einem Balkon installiert werden können. Jedes Modul besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Solarzellen, die zusammenwirken, um das Sonnenlicht in Gleichstrom (DC) umzuwandeln.

2. Umwandlung: Nachdem das Sonnenlicht von den Solarzellen in Gleichstrom umgewandelt wurde, fließt es zu einem Wechselrichter. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom (AC) um, der von den meisten Haushaltsgeräten und dem Stromnetz verwendet wird.

3. Speicherung der Energie: Überschüssiger Strom, der während der Sonnenstunden erzeugt wird, wird in Batteriesystemen gespeichert, um ihn später zu nutzen, wenn kein Sonnenlicht zur Verfügung steht, z. B. nachts oder an bewölkten Tagen. Eine große Solarbatterie, wie die 1600 Wh Speichereinheit von dem Anker SOLIX Balkonkraftwerk (890W PV) mit Speicher (1600Wh), kann genügend Energie speichern, um eine kontinuierliche Versorgung auch dann zu gewährleisten, wenn die Sonne nicht scheint.

Die zukünftigen Entwicklungsperspektiven für Solarzellen

Die Zukunft der Solarzellen sieht rosig aus, denn Innovationen weisen den Weg zu mehr Effizienz, Nachhaltigkeit und Erschwinglichkeit. Hier sind die wichtigsten Trends, die den nächsten Horizont der Solartechnologie bestimmen:

Durchbrüche bei der Effizienz

Einer der wichtigsten Entwicklungsbereiche ist die Verbesserung des Wirkungsgrades von Solarzellen. Die aktuelle Forschung konzentriert sich darauf, die Grenzen des photovoltaischen Effekts zu verschieben, um mehr Sonnenlicht auf kleinerem Raum in Elektrizität umzuwandeln. Durchbrüche in der Materialwissenschaft, wie die Entwicklung von Perowskit-Solarzellen, bieten das Potenzial für höhere Wirkungsgrade bei geringeren Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumzellen.

Nachhaltigkeit der Produktion

Mit der steigenden Nachfrage nach Solarzellen wächst auch der Bedarf an nachhaltigen Produktionsmethoden. Die Solarindustrie konzentriert sich zunehmend darauf, die Umweltauswirkungen der Solarzellenproduktion zu reduzieren, vom Einsatz weniger energieintensiver Prozesse bis hin zum Recycling alter Zellen. Es werden auch Anstrengungen unternommen, die Verwendung von seltenen und giftigen Materialien in der Solarzellenproduktion zu minimieren, um sicherzustellen, dass Solarenergie eine wirklich grüne Energiequelle bleibt.

Zusammenfassung

Unsere Reise durch die Feinheiten der Solarzellentechnologie, vom Verständnis der grundlegenden Frage "Wie funktioniert eine Solarzelle" bis hin zur Untersuchung der verschiedenen Typen und ihrer Integration in photovoltaische Systeme, gipfelt in einer Zukunft voller Möglichkeiten. Die Aussichten für die künftige Entwicklung von Solarzellen versprechen Effizienzsteigerungen, Kostensenkungen und die Einführung nachhaltigerer Verfahren, die die Art und Weise, wie wir die Energie der Sonne nutzen, revolutionieren könnten. Indem wir die solare Revolution einleiten, ebnen wir den Weg in die Zukunft, nicht nur für unsere Generation, sondern auch für viele, die noch kommen werden, um einen Planeten zu sichern, der von der Kraft der Sonne lebt.

FAQ

Erzeugen Solarzellen Gleich- oder Wechselstrom?

Solarzellen produzieren Gleichstrom (DC). Das ist Strom, der nur in eine Richtung fließt. Die Geräte in unseren Häusern benutzen Wechselstrom (AC). Deshalb brauchen wir in Solaranlagen einen Wechselrichter, der den Gleichstrom aus den Solarzellen in Wechselstrom umwandelt.

Was ist der Unterschied zwischen Solarzellen und Photovoltaik?

Solarzellen und Photovoltaik sind eng verwandte Begriffe, die oft synonym verwendet werden. Solarzellen sind die einzelnen Einheiten, die mit Hilfe von Halbleitermaterialien Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln, während sich Photovoltaik auf die umfassendere Technologie und die Systeme bezieht, die diese Zellen zur Stromerzeugung nutzen.

Wie viel Licht braucht eine Solarzelle?

Eine Solarzelle benötigt Sonnenlicht, um zu funktionieren. Obwohl ihr Wirkungsgrad bei direktem, hellem Sonnenlicht am höchsten ist, kann sie auch an bewölkten Tagen oder in Gebieten mit Halbschatten Strom erzeugen. Der Grund dafür ist, dass Solarzellen die Teilchen des Sonnenlichts, die so genannten Photonen, nutzen, um Strom zu erzeugen, und Photonen kommen sowohl im direkten als auch im indirekten Sonnenlicht vor.