Solarstrom für
dein Dachzelt

Kleine Chemiestunde gefällig? Das Innenleben einer handelsüblichen Solarzelle besteht aus Silizium. Dieses Silizium wird aus Quarzsand hergestellt und bildet das sogenannte Halbleitermaterial in der Solarzelle. Das Silizium wird nun in zwei Schichten aufgeteilt:

In der n-Schicht werden dem Silizium Phosphoratome zugegeben. Ein Phosphoratom ist fünfwertig, das heißt: Es hat fünf Elektronen. Das Besondere daran ist, dass es eigentlich nur vier Elektronen braucht. Das Fünfte ist zu viel und kann sich mehr oder weniger frei bewegen.

Ganz anders sieht es in der p-Schicht aus. Hier werden dem Silizium Boratome zugegeben. Ein Boratom ist dreiwertig: Es hat nur drei Elektronen, aber es gibt einen freien Platz. Diesen Platz kannst du dir als Loch vorstellen. 

Um nun genau zu verstehen, was im Inneren passiert, müssen wir noch näher ran:

Bringst du die n-Schicht mit der p-Schicht zusammen, dann entsteht am Übergang eine sogenannte Grenzschicht. An dieser Schicht entsteht ein internes elektrisches Feld. Das passiert, weil in diesem Bereich die freien Elektronen der n-Schicht in die Löcher der Boratome der p-Schicht springen. Das passiert so lange, bis in der Grenzschicht alle Löcher “gestopft” sind. In dieser Grenzschicht sind zunächst also nur Boratome mit vier Atomen.

Durch das Zusammenbringen ist noch etwas weiteres Wichtiges passiert: Es wurde Ladung in Form von Elektronen verschoben. Das heißt, es haben sich zwei elektrische Pole gebildet. Ein Pluspol an der Oberseite und ein Minuspol an der Unterseite des Schichtenpakets. 

Wenn Sonnenlicht auf die Grenzschicht fällt, dann lösen die im Licht enthaltenen Photonen die Elektronen aus den Boratomen in der Grenzschicht. Elektronen sind negativ geladen und deswegen werden die gelösten freien Elektronen von der oberen n-Schicht angezogen, diese bildet ja den Pluspol, ist also positiv geladen.

Solange Sonnenlicht auf die Grenzschicht trifft, werden darin Elektronen aus den Boratomen gelöst und zum Pluspol “gedrückt”. Dort hat die Solarzelle einen Metallkontakt, an dem du deine Leitung anschließen kannst. 

Wenn du jetzt das andere Ende deiner Leitung mit dem Metallkontakt des Minuspols verbindest, dann schließt du den Stromkreis. Dazwischen solltest du natürlich noch einen elektrischen Verbraucher einsetzen – sonst hast du einen Kurzschluss!

Jetzt können die Elektronen über die Leitung zum Minuspol fließen und so wieder durch die p-Schicht in die Grenzschicht. Dort stopfen sie wieder die Löcher und werden vom Sonnenlicht herausgelöst. Danach geht es wieder weiter durch die n-Schicht und der Kreislauf beginnt erneut.

Hauptsächlich unterscheidet man in der Praxis zwischen drei verschiedenen Arten von Solarzellen. Sie funktionieren alle nach dem oben beschriebenen Prinzip, unterscheiden sich jedoch deutlich in ihren Wirkungsgraden – also ihrer Leistungsfähigkeit. Am häufigsten findest du polykristalline und monokristalline Zellen. Seltener auch noch die sogenannten Dünnschschichtmodule. So viel schon vorab: Die monokristallinen Zellen haben den besten Wirkungsgrad.

Monokristalline Solarzellen werden in einem besonders aufwendigen Produktionsverfahren hergestellt. In einem Schmelztiegel wird Quarzsand bei sehr hohen Temperaturen geschmolzen. Ein sogenannter Impfkristall aus reinem Silizium wird in das geschmolzene Material herabgelassen und anschließend wieder langsam herausgezogen. Bei diesem Vorgang lagert sich am Impfkristall reines Silizium ab – es “wächst” sozusagen.

Vielleicht hast du schon einmal gesehen, wie man zu Hause Kristalle “züchten” kann. Die Herstellung der Siliziumstange kannst du dir in etwa genauso vorstellen.

Das Endprodukt dieses Schmelzvorgangs ist eine einkristalline Siliziumstange. Die einkristalline Siliziumstange wird in hauchdünne Scheiben geschnitten. Diese dünnen Scheiben nennt man Wafer – sie sind das Ausgangsmaterial für eine Solarzelle.

Diese Art von Solarzellen haben den größten Wirkungsgrad. Du kannst sie an der dunklen, strukturlosen Farbe erkennen. Sie eignen sich perfekt, wenn du nur eine kleine Fläche zur Verfügung hast. Ihr aufwendiges Produktionsverfahren macht sie jedoch vergleichsweise teuer in der Anschaffung.

Diese Zellen durchlaufen ein weitaus einfacheres Produktionsverfahren als ihre monokristallinen Kollegen. Das macht sie günstiger in der Produktion und Anschaffung, aber gleichzeitig verschlechtert sich auch der Wirkungsgrad.

Polykristalline Zellen bestehen aus gegossenen Siliziumblöcken. Die Blöcke sind nicht so rein wie die oben genannten Wafer. Die Blöcke werden nach dem Erstarren in feine Scheiben geschnitten. Diese Scheiben sind dann das Ausgangsprodukt für die Solarzelle.

Optisch kannst du polykristalline Solarzellen an der Kristallstruktur der Oberfläche erkennen.

Aufgrund ihres schlechten Wirkungsgrades benötigen polykristalline Zellen mehr Platz, um die gleiche Leistung zu erreichen. Wenn du also viel (Dach-) Fläche zur Verfügung hast und relativ wenig Leistung benötigst, dann kannst du auf diese Art von Zellen zurückgreifen.

Im Gegensatz zu kristallinen Zellen werden die Dünnschichtzellen nicht aus Wafern hergestellt. Das Halbleitermaterial wird auf ein sehr dünnes Trägermaterial aufgedampft. Das kannst du dir in etwa so wie Sprühlack aus der Dose vorstellen.

Das Trägermaterial kann Kunststoff, Glas oder auch Metall sein. Als Halbleitermaterial wird amorphes Silizium, Cadmium-Tellurid oder Kupferindiumdiselenid eingesetzt.

Dünnschichtzellen sind, wie ihr Name schon vermuten lässt, sehr dünn und sehr leicht. Sie sind sehr günstig in der Herstellung, haben jedoch auch den schlechtesten Wirkungsgrad im Vergleich.

Du kannst diese Zellen zum Beispiel in deinem Taschenrechner finden. Für eine Solaranlage mit Dünnschichtmodulen brauchst du vergleichsweise viel Platz, um eine brauchbare Leistung zu erzeugen.

Hier siehst du die Leistung der einzelnen Solarmodularten auf einen Blick.

Das ist im Prinzip ganz schnell und einfach erklärt: Ein Solarmodul besteht aus mehreren Zellen. Diese Zellen sind auf dem Modul miteinander verschaltet.

Eine Parallelschaltung einzelner Zellen ist besonders wirksam, um auch bei Teilverschattung noch einen hohen Ertrag zu erzielen. Die Ströme (I) der einzelnen Zellen addieren sich.

Parallel geschaltete Zellen.

In Reihe geschaltete Zellen.

Bei einer Reihenschaltung addieren sich hingegen die einzelnen Spannungen (U) der Zellen. Um eine effektive Ausbeute zu erlangen, werden in den Modulen die beiden Schaltungsarten gemischt. Das Ganze sieht dann (vereinfacht) so aus:

In der Praxis wirst du meistens auf Solarmodule mit 4×9 – also 36 Zellen – stoßen. Eine weitere gängige Zellenanzahl ist 72 – diese Module bestehen im Grunde genommen aus zwei 36´er Modulen. Sie sind aber sehr groß und schwer.

Wenn du wenig Fläche zur Verfügung hast – was ja im mobilen Bereich durchaus vorkommt – dann nimmst du am besten ein monokristallines Modul. Ab 80-100 Watt Modulleistung beginnt Solarenergie an zu “funktionieren” – das bedeutet, dass du brauchbare Leistungen entnehmen kannst. Klar: Wenn du nur dein Handy laden willst, dann reicht auch ein kleineres Modul.

Module, die leistungsmäßig darunter liegen, sind als Einzelmodul nicht lohnenswert, da du immer bedenken solltest, dass es auch mal einen Tag mit wenig Sonne geben kann. Im übrigen laden die monokristallinen Module noch immer sehr gut, wenn der Himmel bedeckt ist. Logischerweise ist der Ertrag bei strahlenden Sonnenschein jedoch am höchsten.