Solarzelle Funktion: Aufbau und Wirkungsweise einfach erklärt

Die Funktion einer Solarzelle basiert auf dem photovoltaischen Effekt, der bereits 1839 von Alexandre Edmond Becquerel entdeckt wurde. Dieser physikalische Effekt beschreibt die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie in einem Halbleitermaterial. Moderne Solarzellen nutzen diesen Effekt hocheffizient und bilden die Grundlage der gesamten Photovoltaikindustrie.

Eine kristalline Silizium-Solarzelle besteht im Wesentlichen aus zwei unterschiedlich dotierten Siliziumschichten. Die obere, dem Licht zugewandte Schicht ist n-dotiert, das heißt, dem Silizium wurden Fremdatome wie Phosphor hinzugefügt, die jeweils ein überschüssiges Elektron besitzen. Die untere Schicht ist p-dotiert, hier wurden Fremdatome wie Bor eingebracht, die jeweils ein Elektron weniger haben als Silizium und somit sogenannte Löcher erzeugen.

An der Grenzfläche zwischen der n-dotierten und der p-dotierten Schicht entsteht ein p-n-Übergang. An diesem Übergang diffundieren Elektronen aus der n-Schicht in die p-Schicht und rekombinieren dort mit Löchern. Umgekehrt wandern Löcher aus der p-Schicht in die n-Schicht. Dieser Diffusionsprozess erzeugt eine Verarmungszone, in der keine freien Ladungsträger mehr vorhanden sind. Es entsteht ein elektrisches Feld, das einer weiteren Diffusion entgegenwirkt und einen Gleichgewichtszustand herstellt.

Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden Photonen vom Silizium absorbiert. Die Energie der Photonen löst Elektronen aus ihren Bindungen und erzeugt freie Elektronen-Loch-Paare. Dieser Vorgang wird als Generation bezeichnet. Die erzeugten Ladungsträger werden durch das elektrische Feld am p-n-Übergang getrennt: Elektronen werden zur n-Schicht und Löcher zur p-Schicht gezogen. Diese Ladungstrennung erzeugt eine elektrische Spannung zwischen den beiden Kontakten der Solarzelle.

Die Leerlaufspannung einer einzelnen Silizium-Solarzelle beträgt etwa 0,6 bis 0,7 Volt. Der Kurzschlussstrom hängt von der Zellgröße und der Bestrahlungsstärke ab und liegt bei typischen Zellen bei mehreren Ampere. Um nutzbare Spannungen und Leistungen zu erzielen, werden viele Solarzellen in einem Solarmodul in Reihe und parallel verschaltet.

Die Effizienz einer Solarzelle wird durch verschiedene Verlustmechanismen begrenzt. Nicht jedes Photon kann ein Elektronen-Loch-Paar erzeugen. Photonen mit zu geringer Energie werden nicht absorbiert und durchdringen die Zelle. Photonen mit zu hoher Energie erzeugen zwar Ladungsträger, die überschüssige Energie wird jedoch als Wärme abgegeben. Diese fundamentale Begrenzung wird durch das Shockley-Queisser-Limit beschrieben und beträgt für Silizium etwa 33 Prozent.

Die Kontaktierung der Solarzelle erfolgt über metallische Kontakte auf der Vorder- und Rückseite. Die Vorderseitenkontakte sind als dünne Finger und breitere Sammelschienen ausgeführt, die einen Kompromiss zwischen geringem elektrischen Widerstand und minimaler Abschattung der aktiven Zellfläche darstellen. Auf der Rückseite wird häufig eine vollflächige Metallisierung aufgebracht. Moderne Zelldesigns wie PERC, TOPCon oder HJT verwenden fortschrittliche Kontaktierungstechniken, die die Verluste weiter reduzieren.