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Solarenergie verstehen: Die Solarzelle im Detail erklärt

Als Grundbausteine von Solarstromanlagen wandeln Solarzellen Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um. Mit ihrer Fähigkeit, emissionsfrei erneuerbare Energie zu erzeugen, haben Solarzellen das Potenzial, einen bedeutenden Beitrag zur Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und zur Bekämpfung des Klimawandels zu leisten. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Funktionsweise der Solarzelle, ihre Effizienz und Leistung, sowie die Herausforderungen, denen sie am Weltmarkt ausgesetzt ist.
Aktualisiert am
Lesezeit
8 min

Solarzellen: Aufbau und Funktionsweise

Solarzellen, auch Photovoltaikzellen genannt, sind Komponenten, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandeln. Der Vorgang, der dies ermöglicht, basiert auf dem photovoltaischen Effekt. Doch bevor wir in die Funktionsweise eintauchen, schauen wir uns zuerst den Aufbau einer typischen Silizium-Solarzelle an, dem gängigsten Material für Solarzellen.

Aufbau einer Solarzelle

Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten, die jeweils spezielle Funktionen erfüllen, um die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie zu ermöglichen und zu optimieren:

  1. Oberste Schicht: Diese ist oft aus Glas oder transparentem Kunststoff gefertigt und dient zum Schutz der Zelle vor Umwelteinflüssen sowie zur Maximierung des Lichteinfalls.

  2. Antireflexionsschicht: Um zu verhindern, dass Licht reflektiert und nicht genutzt wird, wird eine Antireflexionsschicht aufgetragen.

  3. N-Typ Silizium: Dies ist eine Schicht aus Silizium, die mit Fremdatomen (z.B. Phosphor) "dotiert" ist, sodass ihr überschüssige Elektronen anheften. 

  4. P-N-Übergang: Hier treffen das N-Typ und P-Typ Silizium (5.) aufeinander. Dieser Übergang ist das Herzstück der Solarzelle.

  5. P-Typ Silizium: Dies ist Silizium, das mit nochmals anderen Fremdatomen (z.B. Bor) dotiert ist, sodass es an Elektronen mangelt. Der Elektronenmangel auf der einen und Überschuss auf der anderen Seite sind elementar für die Arbeitsweise der Zelle.

  6. Rückkontakt und Frontkontakte: Diese leiten den elektrischen Strom aus der Solarzelle heraus.

Funktionsweise einer Solarzelle

Die Solarzelle verwandelt das auf das Modul einfallende Sonnenlicht in elektrische Energie - durch einen Prozess, der in mehreren Schritten abläuft:

  1. Lichtabsorption: Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden Photonen (Lichtteilchen) vom Silizium absorbiert. 

  2. Elektronen Freisetzung: Die Energie der Photonen kann so groß sein, dass sie Elektronen aus dem Silizium "herausschlagen". Das bedeutet, dass sie diese Elektronen aus ihrer Bindung im Siliziumatom lösen.

  3. Elektronenbewegung: Diese freien Elektronen bewegen sich nun durch das Material. Da sie negativ geladen sind und das N-Typ-Silizium überschüssige Elektronen hat, werden sie zum P-Typ-Silizium hingezogen, dem Elektronen fehlen.

  4. Stromerzeugung: Durch die Bewegung dieser Elektronen entsteht ein elektrischer Strom. Die Front- und Rückkontakte der Solarzelle leiten diesen Strom ab und machen ihn für externe Schaltungen nutzbar.

Eine intensivere Sonneneinstrahlung bedeutet dabei auch mehr freigesetzte Elektronen. Folglich wird auch mehr Strom produziert, umso mehr Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft.

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Effizienz und Leistung von Solarzellen

Effizienz und Leistung von Solarzellen sind wichtige Faktoren, um ihre Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit zu bewerten. 

Effizienz: Die Effizienz einer Solarzelle gibt an, wie gut sie Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln kann. Der Wirkungsgrad  wird in Prozent angegeben und zeigt den Anteil der absorbierten Sonnenenergie, der in nutzbaren Strom umgewandelt wird. Eine höhere Effizienz bedeutet, dass eine Solarzelle mehr Sonnenenergie in Strom umwandeln kann und somit einen höheren Ertrag liefert. Hierzu ist zu sagen, dass Werte, die einem instinktiv niedrig vorkommen können, nicht niedrig sind. Wirkungsgrade von über 20% bedeuten eine sehr hohe Effizienz! Dank der Top-Con Technologie erreicht das 1KOMMA5° Solarmodul einen Modulwirkungsgrad von bis zu 21,8%. 

Leistung: Die Leistung einer Solarzelle bezieht sich auf die elektrische Energie, die sie unter bestimmten Bedingungen erzeugen kann. Sie wird in Watt (W) gemessen und gibt an, wie viel Strom eine Solarzelle liefern kann. Die Leistung hängt von Faktoren wie der Größe der Solarzelle, der Sonneneinstrahlung, der Temperatur und der Effizienz ab.

Das 1KOMMA5° Solarmodul hat eine Modulleistung von 415-425 Watt. 

Außenwelt Einflüsse: Es ist wichtig zu beachten, dass die Effizienz und Leistung von Solarzellen neben den technischen Möglichkeiten der Zelle von verschiedenen Faktoren abhängen. Dazu zählen etwa Sonneneinstrahlung, Ausrichtung und Neigungswinkel der Solarzelle, Verschattung, Umgebungstemperatur und Verschmutzung der Module, in denen die Zellen verbaut sind. 

Hinweis: Das Reinigen der ständig der Witterung ausgesetzten Module kann mit der Zeit notwendig werden. Hierfür sollte ein Fachbetrieb engagiert werden.

Sauberer Strom aus unsauberen Solarmodulen

Wem es um die Umwelt geht, der sollte zwei Mal hinschauen. Die Solarenergie gilt als umweltfreundliche Energiequelle, da sie keine direkten Treibhausgasemissionen verursacht und die für uns im Grunde unendliche Ressource Sonne nutzt. Solarenergie spielt damit eine Schlüsselrolle in der Energiewende und ihr Potential ist noch lange nicht ausgeschöpft. 

Doch während die eigentliche Stromerzeugung via Solarmodul selbst am Ende immer emissionsfrei bleibt, ist die Herstellung der Module durchaus kritischer zu betrachten. Das liegt zunächst daran, dass über zwei Drittel der Zellen in China gefertigt werden, wo die energieintensiven Herstellungsverfahren vor allem durch Kohlekraft bedient werden. Diese wiederum kann, je nach Rechenart, bis zu mehrere hundert Mal klimaschädlicher sein als Solar- oder Windenergie.

Wertschöpfungskette bei PV-Modulen

Ohne Polysilizium keine Solarenergie: Umso wichtiger, dass dieser Grundstoff sauber und ethisch einwandfrei gewonnen wird.

Indem wir uns also diesem Markt bedienen, unterstützen wir die großflächige Energiegewinnung aus Kohlekraftwerken und damit eine der mit Abstand unsaubersten Methoden der Energiegewinnung. Im Kontext nachhaltiger Energie also eine absurde Situation. Diese erfährt einen noch bedenklicheren Beigeschmack durch Berichte, nach denen das für die Herstellung der Solarzellen elementare Polysilizium in einigen Regionen Chinas durch Zwangsarbeit gefördert werden soll.

Die Alternative: Produktion und Lieferketten in Europa etablieren

1KOMMA5° hat sich vorgenommen, genau das besser zu machen. Unsere Mission: Maximale Effizienz bei minimalem CO2-Fußabdruck. Deshalb setzen wir schon heute auf modernste Technologie und regionale Ressourcen, genauer gesagt Polysilizium aus Bayern und Sachsen von der Firma Wacker Chemie.

Mit 25 Jahren Produkt- und 30 Jahren Leistungsgarantie bieten wir eine der führenden Garantien am Markt und sichern als deutsches Unternehmen Ertrag und Wirtschaftlichkeit der Anlagen unserer Kundinnen und Kunden ab. Darüber hinaus wollen wir bis 2025 eine eigene Produktionslinie in Europa etablieren und bis zu 5 GW pro Jahr produzieren.

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