Auch wenn die Funktionsweise einer Solarzelle in der Elementarphysik begründet liegt, lässt sie sich anschaulich erklären. In den Sonnenstrahlen sind winzige Energieträger, sogenannte Photonen, enthalten. Treffen sie auf die Oberfläche der Solarzelle, reagiert das Silizium, indem Elektronen aus ihren Bahnen um den Atomkern gelöst werden. Der Aufbau einer Solarzelle sorgt dafür, dass aus dieser Bewegung nutzbarer Strom entsteht. Wir erklären den Aufbau und die Funktionsweise Schritt für Schritt.

So entsteht Strom in der Solarzelle

Dort, wo die negativ geladenen Elektronen ihren Platz verlassen, bleiben positiv geladene Löcher zurück. Die Elektronen wandern zur Oberseite des Siliziums, die Löcher zur Unterseite. Wegen der gegensätzlichen Ladungen ziehen sich beide weiterhin an. Die zentrale Funktion der Solarzelle besteht darin, die sofortige Wiedervereinigung zu verhindern und die Ladungsträger umzuleiten. Auf diesem Umweg entsteht eine Spannung, die als Strom abgenommen werden kann.

Wandernde Ladungsträger werden umgeleitet

Der Aufbau einer Solarzelle besteht aus mehreren Siliziumschichten: einer dünnen Deckschicht, einer Zwischenschicht und der Rückseite. Die Zwischenschicht verlängert den Weg der Elektronen und Löcher künstlich. Je länger sich die gegensätzlich geladenen Teilchen aufeinander zubewegen, ohne sich zu erreichen, desto höher ist die entstehende Spannung. Diese Wanderung hat allerdings Grenzen: Bei steigender Temperatur bilden sich weniger Elektron-Loch-Paare, was den Wirkungsgrad senkt. Deshalb arbeiten Solarzellen bei moderaten Temperaturen effizienter als bei großer Hitze.

Spannung durch gezielte Verunreinigung

Ein großer Teil der Umleitung wird durch gewollte Verunreinigung erreicht, die technisch Dotierung genannt wird. In der oberen Siliziumschicht werden Phosphoratome beigemischt, in der unteren Boratome. Die unterschiedlichen Elektronenzahlen schaffen ein Ungleichgewicht, das wie eine Sperre wirkt und die Wiedervereinigung von Elektronen und Löchern verhindert. Erst wenn sich die Ladungen über den äußeren Stromkreis ausgleichen, erlischt die Spannungserzeugung. Aus einer einzelnen Zelle lässt sich so eine Stromstärke im Bereich weniger Milliampere pro Quadratzentimeter gewinnen; erst die Verschaltung vieler Zellen zu einem Modul liefert nutzbare Leistung.

Herstellungsverfahren bestimmen die Effizienz

Die erreichbare Leistung hängt stark vom Herstellungsverfahren ab:

• Dünnschichtzellen sind die günstigste Variante. Ihr geringer Wirkungsgrad von etwa 6 bis 10 Prozent verlangt große Flächen.
• Polykristalline Zellen erreichen rund 14 bis 18 Prozent bei mittlerem Flächenbedarf.
• Monokristalline Zellen liefern die höchste Effizienz. Moderne Module erreichen heute rund 20 bis 23 Prozent, da Streuverluste durch die einheitliche Kristallstruktur entfallen.

Neben dem Wirkungsgrad sind auch das Verhalten bei diffusem Licht und der Anschaffungspreis wichtige Entscheidungskriterien.

Weitere technische Eigenschaften

Je nach Einsatzort spielt die Solarzelle unterschiedliche Stärken aus. Monokristalline Produkte brauchen weniger Fläche als polykristalline. Bei beiden Bauweisen tritt zu Beginn ein leichter Anfangsleistungsverlust auf. Über die Jahre gleicht sich der Vorteil an, da polykristalline Zellen langfristig etwas höhere Verluste aufweisen. Schwaches Licht, etwa bei Bewölkung, wird von monokristallinen Zellen tendenziell besser genutzt. Die Wahl der Zellart richtet sich daher nach verfügbarer Fläche, Ausrichtung und Budget.

Vom Wafer zum Solarmodul

Eine einzelne Solarzelle liefert nur eine geringe Spannung. Um nutzbare Leistung zu erzielen, werden viele Zellen in Reihe und parallel verschaltet und zu einem Solarmodul zusammengefasst. Mehrere Module bilden schließlich eine Photovoltaikanlage. Die Zellen werden dabei zwischen eine schützende Glasscheibe und eine rückseitige Folie eingebettet und in einen Rahmen gefasst, damit sie Wind, Regen und Temperaturschwankungen dauerhaft standhalten. Über die Anschlussdose und die Verkabelung wird der erzeugte Gleichstrom abgeführt und im Wechselrichter in netzüblichen Wechselstrom umgewandelt.

Was den Ertrag im Betrieb beeinflusst

Im praktischen Betrieb entscheiden mehrere Faktoren über den Ertrag. Neben dem Wirkungsgrad der Zellen spielen die Ausrichtung und Neigung des Dachs, die Verschattung durch Bäume oder Nachbargebäude sowie die Temperatur eine Rolle. Da hohe Temperaturen den Wirkungsgrad senken, ist eine gute Hinterlüftung der Module vorteilhaft. Auch Verschmutzung durch Staub oder Laub kann den Ertrag mindern. Wer diese Faktoren bei der Planung berücksichtigt, holt aus dem Aufbau der Solarzelle die bestmögliche Leistung heraus und sorgt für einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage über viele Jahre.

Fazit

Der Aufbau einer Solarzelle beruht auf mehreren dotierten Siliziumschichten, die durch das Sonnenlicht gelöste Ladungsträger gezielt umleiten und so eine nutzbare Spannung erzeugen. Entscheidend für die Effizienz sind das Herstellungsverfahren und die Temperatur: Monokristalline Zellen erreichen die höchsten Wirkungsgrade, während Dünnschichtzellen günstiger, aber flächenintensiver sind. Wer die Funktionsweise versteht, kann die verschiedenen Modultypen besser einordnen und die für das eigene Dach passende Photovoltaiklösung auswählen.

Wer den Aufbau und die Funktionsweise einer Solarzelle kennt, versteht auch, warum sich Investitionen in hochwertige Module langfristig auszahlen: Höhere Wirkungsgrade bedeuten mehr Ertrag auf gleicher Fläche, was gerade bei begrenztem Dachplatz entscheidend ist. In Kombination mit einem passenden Speicher und einer Wärmepumpe wird die Photovoltaik so zu einem zentralen Baustein der Energieversorgung im Eigenheim und senkt den Bezug von Netzstrom deutlich.

Für Hausbesitzer bedeutet das konkret: Bei der Auswahl einer Photovoltaikanlage sollten nicht nur der Preis pro Modul, sondern auch der Wirkungsgrad, das Verhalten bei Schwachlicht und die Herstellergarantie verglichen werden. So lässt sich eine Anlage zusammenstellen, die über ihre gesamte Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten einen möglichst hohen und stabilen Ertrag liefert.