Auch wenn die Funktionsweise einer Solarzelle im elementarphysikalischen Bereich begründet ist, kann eine bildlich vereinfachende Beschreibung den Vorgang recht verständlich nahebringen: In den auftretenden Sonnenstrahlen sind mikroskopisch kleine Energieträger oder Lichtteilchen, sogenannte Photonen, enthalten. Sie treffen auf die Oberfläche im der Solarzelle. Das Element Silizium reagiert auf der auf der bestrahlten Oberseite mit dem Loslösen von Elektronen, die bis dahin zuverlässig ihre elliptischen Bahnen um den Atomkern beschrieben haben.

An den Stellen, an denen die negativ geladenen Elektronen ihren Platz verlassen haben, bleiben positiv geladene Löcher zurück. Die Elektronen suchen sich den Weg zur Oberseite des Siliziums, die Löcher wandern zur Unterseite. Die gegenseitige Anziehungskraft bleibt wegen der gegensätzlichen Ladungen bestehen. Die zentrale Funktion einer Solarzelle ist das Umleiten der Wiedervereinigung. Auf diesem Umleitungsweg entsteht Stromspannung, die abgenommen werden kann.

Wandernde Teilchen werden umgeleitet

Der Aufbau einer Solarzelle besteht aus 3 Schichten Silizium. Eine dünne Deckschicht sitzt auf einer Zwischenschicht, die wiederum auf einer unteren Rückseite aufgebracht ist. Die Wanderung der Elektronen und Löcher wird durch die Zwischenschicht künstlich verlängert. Je länger sich die beiden gegenteilig geladenen Teilchen aufeinander zu bewegen, ohne sich zu erreichen, desto höhere Stromspannung entsteht. Dabei darf die Balance zwischen Wegstrecke und kontinuierlich wirkender Anziehung nicht aus dem Gleichgewicht geraten. Dieser Wanderung sind allerdings Grenzen durch die Temperatur gesetzt. Wenn es wärmer wird, haben die Elektron-Loch-Paare immer weniger Lust auf das Wandern. Sie bilden sich in geringerem Maße, verlassen in sinkender Häufigkeit ihr Siliziumbett und beschränken so den Wirkungsgrad der Solarzelle.

Stromspannung entsteht durch Verhinderung

Einen großen Teil der Umleitung durch die mittlere Schicht in der Silizium Solarzelle wird durch gewollte Verunreinigung erzielt. Für die Anreicherung, technisch als Dotierung bezeichnet, werden in der oberen Siliziumschicht fremde Phosphoratome beigemischt, in der unteren Schicht Boratome. Die nicht zueinanderpassenden Elektronenanzahlen schaffen bei der Wanderung und Suche nach Wiedervereinigung Missverhältnisse.

Sie fungieren wie Wegsperren und verhindern die durch Elektronen und Löcher angestrebte Zusammenkunft und Harmonisierung. Die Sonnenzelle sorgt durch Stromspannungsabnahme für den Ausgleich der Ladungen. Erst wenn die Siliziumladungen wieder vereint sind, erlischt die Spannungserzeugung. Aus einer einzelnen photovoltaischen Zelle lässt sich eine Stromstärke von etwa 20 Milliampere „herausziehen“.

Herstellungsverfahren bestimmen Effizienz

Die Menge der herausziehbaren Stromspannung kann durch den Aufbau einer Solarzelle zusätzlich verändert werden. Diese Änderung im Wirkungsgrad wird durch unterschiedliche Herstellungsverfahren erreicht.

• Die günstigste Variante sind sogenannte Dünnschichtzellen. Ihr geringer Effizienzgrad von 6 bis 10 Prozent verlangt nach sehr großen Flächen und vielen Modulen, um relevante und signifikante Strommengen zu erzielen.
• Eine polykristalline Solarzelle kann mit 12 bis 16 Prozent aufwarten, was einen mittleren Flächenbedarf erfordert.
• Die höchste Effizienz liefert die monokristalline Solarzelle mit 14 bis 20 Prozent, da hier Streuverluste durch unordentlich ausgerichtete kristalline Strukturen unterbleiben.

Weitere Eigenschaften wie das Ausbeuten von diffusem Licht und Schwachlicht bestimmen neben dem Anschaffungspreis wichtige Entscheidungskriterien.

Weitere technische Eigenschaften

In jeder Anwendung, Installation und Platzierung spielt die Funktion einer Solarzelle einige spezifische Eigenschaften aus. Je nach Gegebenheiten wirkt sich die Wahl vor- oder nachteilig aus. Monokristalline Produkte brauchen weniger Fläche als polykristalline Produkte. Bei beiden Bauweisen gibt es bei der Inbetriebnahme einen Anfangsleistungsverlust, der bis zu 5 Prozent betragen kann. Bei monokristalliner Bauweise sind diese Verluste, auch durch Erwärmung, höher.

Der Vorteil gleicht sich im Laufe der Jahre an, da polykristalline Zellen einen mittel- und langfristig höheren Verlust aufweisen. Schwaches Licht wie bei Bewölkung wird von Monozellen besser ausgebeutet.