Photovoltaikzellen: Was sie sind und wie sie funktionieren

Die Photovoltaikzellen, Halbleitergeräte, die in der Lage sind, Sonnenlicht in elektrische Energie durch den photovoltaischen Effekt umzuwandeln, stellen die grundlegende Einheit jedes photovoltaischen Systems dar.

Eine Photovoltaikanlage zeichnet sich durch eine Reihe von Solarmodulen aus, die in Reihe oder parallel geschaltet sind; an der Basis jedes Moduls befinden sich genau die Photovoltaikzellen, die für die Umwandlung der Sonnenstrahlung in Elektrizität verantwortlich sind.

Lassen Sie uns gemeinsam entdecken, was die grundlegenden Elemente einer Photovoltaikanlage sind und wie sie funktionieren.

Die Planung einer Photovoltaikanlage ist eine sehr heikle Angelegenheit, die mit besonderer Sorgfalt und Aufmerksamkeit durchgeführt werden sollte. Um Fehler zu vermeiden, die Ihnen nach der Realisierung der Anlage teuer zu stehen kommen könnten, empfehle wir Ihnen, sich auf eine effektive Photovoltaik-Planungssoftware zu verlassen, um Anlagen sicher und geleitet zu planen.

Was sind Photovoltaikzellen?

Die Photovoltaikzellen sind das grundlegende Element zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Sonnenenergie. Sie können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, aber der am weitesten verbreitete und effektivste Halbleiter ist Silizium.

Silizium hat eine wichtige Eigenschaft: Es benötigt nur eine minimale Menge an Energie, damit die Valenzelektronen genutzt werden können, um einen elektrischen Strom zu erzeugen.

Um dieses Phänomen auszunutzen, wird das sogenannte Doping angewendet, d.h. das Einbringen von Verunreinigungen in den Halbleiter. In der Regel werden Bor (negative Ladung) und Phosphor (positive Ladung) verwendet, die eine Barriere schaffen, die als Übergangszone bekannt ist. Gerade durch diesen p-n-Übergang entstehen die Dioden, ein unverzichtbares Element zur Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbare elektrische Energie.

Dotierung von vierwertigem Silizium

Funktionsweise einer Photovoltaikzelle

Um die Effizienz einer Photovoltaikzelle zu überprüfen, ist es notwendig, sie mit zwei Messgeräten zu verbinden, nämlich dem Amperemeter, das den elektrischen Strom misst, und dem Voltmeter, das die Spannung misst.

In einem Stromkreis werden die beiden Geräte parallel geschaltet, um zu vermeiden, dass das Amperemeter den elektrischen Widerstand misst, der im Voltmeter selbst vorhanden ist, und um die Messung der Leistung der Zelle unabhängig von externen Systemen zu gewährleisten.

Solarzelle

Innerhalb des Stromkreises wird auch eine elektrische Last eingefügt, die die Leistung der Zelle beeinflusst: Je nach Last ändern sich sowohl Stromstärke als auch Spannung der erzeugten Energie. Unter diesen Bedingungen lassen sich zwei Hauptfälle unterscheiden:

• Offener Stromkreis:Der Strom ist null (kein elektrischer Kontakt), während die Spannung den maximalen Wert erreicht, den die Zelle erzeugen kann (Voc – Leerlaufspannung);
• Geschlossener Stromkreis:Die Last ist minimal und der Strom maximal (Isc – Kurzschlussstrom), während die Spannung nahe null liegt.

Die grafische Darstellung dieser Werte erzeugt die V-I-Kennlinie (oder Spannungs-Strom-Kennlinie), aus der grundlegende Parameter abgeleitet werden:

• Spitzenintensität;
• Spitzenspannung;
• Spitzenleistung;
• Fill Factor (Füllfaktor).

Ein weiterer sehr wichtiger Parameter ist der Maximum Power Point (MPP), der den optimalen Arbeitszustand der Zelle darstellt. In realen Anlagen liegt die Aufgabe, diesen Punkt kontinuierlich zu verfolgen, bei Wechselrichtern mit MPPT-Technologie (Maximum Power Point Tracking).

Unterscheidungsmerkmale einer Solarzelle

Struktur und Materialien einer Photovoltaikzelle

Eine Photovoltaikzelle besteht aus mehreren Schichten von Materialien, die zusammen die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie ermöglichen:

• vordere transparente Schicht: normalerweise aus gehärtetem Glas, schützt die Zelle vor Witterungseinflüssen und lässt die Sonnenstrahlung durch;
• antireflektierende Schicht: reduziert die Lichtstreuung und maximiert die Absorption;
• Halbleiterschicht: in der Regel Silizium, ist das Herz der Zelle. Hier findet der photovoltaische Effekt dank der durch Dotierung erzeugten p-n-Übergänge statt;
• metallische Kontakte: dünne leitfähige Gitter, die auf der Vorder- und Rückseite aufgebracht sind und die Elektronen sammeln, um elektrischen Strom zu erzeugen;
• hintere Schicht: besteht oft aus Kunststoff- oder Metallmaterialien, die Isolation und mechanischen Schutz gewährleisten.

In den letzten Jahren wurden auch neue Materialien wie Perowskite entwickelt, die versprechen, die Effizienz zu steigern und die Kosten zu senken, obwohl sie sich noch in der Forschungs- und Erprobungsphase befinden.

Typen von Photovoltaikzellen und deren Eigenschaften

Die Photovoltaikzellen unterscheiden sich hauptsächlich nach der Struktur des Siliziums, aus dem sie hergestellt sind. Die am weitesten verbreiteten Typen sind:

• monokristalline Zellen;
• polykristalline Zellen;
• amorphe Zellen.

Arten von Solarzellen

Monokristalline Solarzellen

Die monokristallinen Zellen bestehen aus einem einzigen Kristall, der in die gleiche Richtung orientiert ist. Diese Eigenschaft ermöglicht es, die Sonnenenergie, die die Zelle erfassen kann, optimal zu nutzen. Die Färbung dieser Zellen ist typischerweise schwarz.

Das Verfahren zur Herstellung der monokristallinen Zellen ist das Czochralski-Verfahren. Es handelt sich um einen Prozess, bei dem ein Kristallkeim in eine Schmelze aus Silizium eingeführt wird, innerhalb derer der Keim sich vertikal gegen den Uhrzeigersinn dreht und, indem er sehr langsam eingetaucht wird, dafür sorgt, dass die Schmelze sich geordnet um den eintauchenden Keim kristallisieren kann.

Monokristalline Solarzellen

Am Ende des Prozesses sind alle Kristalle homogen ausgerichtet, sodass ein einziges Makrokristall materialisiert wird und ein Siliziumblock entsteht.

Der Block wird dann in dünne Wafer geschnitten, die nur wenige hundert Mikrometer dick sind: Je geringer die Dicke, desto höher die Effizienz der Zelle. Schließlich werden die Wafer entsprechend dotiert (mit Bor oder Phosphor) und zusammengebaut, um die Photovoltaikzelle zu bilden.

Diese Zellen sind die effizientesten (15–22%) und haben eine lange Lebensdauer, aber auch höhere Produktionskosten.

Siliziumblock (Ingot)

Polykristalline Solarzellen

Die polykristallinen Zellen werden aus Abfällen der Elektronikindustrie gewonnen; sie bestehen aus mehreren Kristallen und ihre typische Färbung ist ein schimmerndes Blau.

Polykristalline Solarzelle

Die Kühlung erfolgt schneller als bei monokristallinen Zellen, in einem thermostatischen Bad, das Silizium in verschiedene Richtungen kristallisiert. Dies ermöglicht einen schnelleren und kostengünstigeren Produktionsprozess, jedoch mit einem leicht geringeren Ertrag (12–18%), aufgrund der ungeordneten Ausrichtung der Kristalle.

Sie sind sehr verbreitet, da sie ein gutes Verhältnis zwischen Preis und Leistung bieten.

Detail der polykristallinen Solarzelle

Amorphe photovoltaische Zellen (Dünnschicht)

Die amorphe photovoltaische Zellen weisen eine chaotischere Struktur als Silizium auf, das in dieser Konfiguration keine kristalline Form mehr hat.

Dieses Merkmal ermöglicht die Herstellung von Dünnschichtzellen, die extrem dünn und flexibel sind und auch auf nicht perfekt ebenen Oberflächen angewendet werden können.

Der Prozess zur Herstellung einer amorphen Zelle ist sehr einfach: Auf einem starren Substrat (Glas oder Metall) werden mit geeigneten Technologien (Sputtern oder Verdampfen) mehrere Schichten Material aufgebracht, wobei zwei dieser Schichten (die äußeren) zu den leitenden Elektroden werden, während die innere Schicht die Verbindung der Solarzelle Zelle bildet.

In diesem Prozess werden hauptsächlich die Technologien Dreifach-Junction und Cadmium-Tellurid/Cadmium-Sulfid (CTS) verwendet.

Amorphe Zellen haben eine niedrigere Effizienz (6–12%) und eine kürzere Lebensdauer, sind jedoch sehr vielseitig und finden Anwendung in der architektonischen Integration (Fassaden, gewölbte Dächer, Stadtmöbel) und in tragbaren Geräten.

Um die Unterschiede zwischen den verschiedenen Technologien zu vertiefen, können Sie auch diesen Artikel über die Arten von Photovoltaikanlagen konsultieren.

Amorphe Solarzellen

Reihen- und Parallelschaltung in Photovoltaikmodulen

Photovoltaikzellen sind Dioden und verhalten sich wie Batterien. Sie können in Serie oder parallel geschaltet werden.

• Bei der Serienschaltung (positiv mit negativ) addieren sich die Spannungen, während der Strom konstant bleibt. Die charakteristische Kurve zeigt einen Anstieg auf der Spannungsachse.
• Bei der Parallelschaltung (positive mit positiven und negative mit negativen) bleibt die Spannung konstant, während der Strom ansteigt. In diesem Fall verschiebt sich die Kurve nach oben.

Neben den Konfigurationen beeinflussen auch die Umweltbedingungen die Leistung der Zellen:

• Temperatur: Wenn die Temperatur über bestimmte Werte steigt, wird ein Spannungsabfall registriert, was zu einem Effizienzverlust führt. Dies ist einer der Gründe, warum Photovoltaikmodule mit von den Herstellern angegebenen Temperaturkoeffizienten getestet werden;
• Sonnenstrahlung: Mit abnehmender Bestrahlung reduziert sich die Stromstärke erheblich, während die Spannung nur wenig variiert; die Kurve neigt dazu, sich abzuflachen.

Um eine Photovoltaikanlage korrekt zu planen, ist es daher unerlässlich, sich auf verlässliche Klimadaten zu stützen, wie sie von Sonnenatlanten oder Feldmesskampagnen bereitgestellt werden. In diesem Zusammenhang sind Photovoltaik-Planungssoftware äußerst nützlich, die es ermöglichen, die erwartete Produktion unter Berücksichtigung der tatsächlichen Sonnenstrahlung zu berechnen, die in den wichtigsten internationalen meteorologischen Datenbanken verfügbar ist.

Von der einzelnen Zelle zum Solarmodul: Wie die Paneele gebaut werden

Photovoltaikzellen werden miteinander verbunden, um Photovoltaikmodule zu bilden, die ihrerseits miteinander verschaltet werden, um die gesamte Photovoltaikanlage zu erzeugen.

Jedes Paneel besteht aus Dutzenden von elektrisch in Serie geschalteten Zellen, die in einer Struktur aus schützendem Glas, Einkapselungsschichten und Aluminiumrahmen eingeschlossen sind, die mechanische Festigkeit und Langlebigkeit gewährleisten.

In dieser Verbindung können die Paneele in verschiedenen Strängen angeordnet werden, die eventuell parallel zueinander geschaltet sind. Diese Konfiguration ermöglicht es, die benötigte Spannung und den benötigten Strom zu erzeugen, um die Projektanforderungen zu erfüllen.

Sobald die zu installierende Leistung festgelegt ist, kann entschieden werden, diese mit einer variablen Anzahl von Paneelen zu erzeugen. Die Wahl hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• verfügbare Sonnenstrahlung im Installationsbereich;
• Ausrichtung und Neigung der Module;
• verfügbarer Platz und architektonische Einschränkungen.

Solarzellen: Konfiguration 2 Strings und 3 PV-Modulen

Solarzellen: Konfiguration 3 Strings und 2 PV-Modulen

Wie Photovoltaikzellen Strom aus Sonnenlicht erzeugen

Die Funktionsweise der Photovoltaikzellen basiert auf dem sogenannten photovoltaischen Effekt, einem physikalischen Phänomen, das im 19. Jahrhundert entdeckt wurde und heute zur Erzeugung von sauberem Strom genutzt wird.

Wenn das Sonnenlicht auf die Siliziumschicht der Zelle trifft, übertragen die Photonen ihre Energie auf die Elektronen im Halbleiter. Diese Energie reicht aus, um die Elektronen von den atomaren Bindungen zu befreien, sodass sie sich bewegen können.

Die Anwesenheit der p-n-Übergang, die durch Dotierung erzeugt wird, sorgt dafür, dass die freien Elektronen in eine Richtung der Zelle gelenkt werden, während die Löcher (positive Ladungen) in die andere Richtung wandern. Diese Bewegung erzeugt einen Spannungsunterschied zwischen den beiden Schichten.

Durch den Anschluss der Metallkontakte an einen externen Stromkreis können die Elektronen fließen: So entsteht der Gleichstrom.

In einer realen Photovoltaikanlage wird der von den Zellen erzeugte Strom dann vom Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, der mit dem Stromnetz und den Haushalts- oder Industrieanwendungen kompatibel ist.

Die Effizienz, mit der die Zelle die Sonnenstrahlung in Strom umwandelt, hängt von verschiedenen Faktoren ab: Materialqualität, Dicke des Halbleiters, Betriebstemperatur und Lichtintensität. Werkzeuge wie das Solardiagramm helfen den Planern, die verfügbare Bestrahlung zu studieren und die Paneele optimal zu positionieren, um die Produktion zu maximieren.

Vorteile und Nachteile von Photovoltaikzellen

Photovoltaikzellen sind heute eine der am weitesten verbreiteten Technologien zur Erzeugung erneuerbarer Energie, dank der zahlreichen Vorteile, die sie bieten. Sie haben jedoch auch einige Einschränkungen, die in der Planungs- und Installationsphase berücksichtigt werden sollten.

Vorteile

• saubere und nachhaltige Energie: sie erzeugen während des Betriebs keine umweltschädlichen Emissionen und tragen zur Reduzierung von Treibhausgasen bei;
• wirtschaftliche Einsparungen über die Zeit: die anfängliche Investition wird durch die Einsparungen bei der Stromrechnung und in einigen Fällen durch Anreize und Steuervergünstigungen zurückgezahlt;
• geringer Wartungsaufwand: Photovoltaikzellen haben keine beweglichen Teile und benötigen nur regelmäßige Reinigungen und Routinekontrollen;
• Skalierbarkeit: es ist möglich, wenige Module für kleine Bedürfnisse oder große Anlagen zur Erzeugung von Energie im großen Maßstab zu installieren;
• architektonische Integration: mit Dünnschicht- oder flexiblen Technologien können die Module in Fassaden, Dächer und sogar in urbane Designelemente integriert werden.

Nachteile

• Abhängigkeit von Sonnenstrahlung: die Energieproduktion variiert je nach Wetterbedingungen und verfügbarer Bestrahlung;
• anfängliche Kosten: obwohl sie ständig sinken, kann die anfängliche Investition erheblich sein, insbesondere für große Anlagen;
• begrenzte Effizienz: die aktuellen Zellen wandeln nur einen Teil der einfallenden Sonnenstrahlung in Strom um (im Durchschnitt 15–22% für kristalline Siliziummodule);
• Alterung über die Zeit: die Leistung nimmt mit dem Alter der Module allmählich ab, obwohl die Hersteller in der Regel mindestens 80% der Leistung nach 20–25 Jahren garantieren;
• Entsorgung und Recycling: die Module am Ende ihrer Lebensdauer enthalten Materialien, die ordnungsgemäß recycelt und entsorgt werden müssen, eine Herausforderung, die sich noch in der Entwicklung befindet.

Flexible Photovoltaikzellen und neue Technologien

Neben den traditionellen Lösungen aus kristallinem Silizium haben sich in den letzten Jahren neue Generationen von Photovoltaikzellen entwickelt, die innovative Eigenschaften und zunehmend vielseitige Anwendungen aufweisen.

Flexible Photovoltaikzellen

Diese Zellen verwenden dünne und leichte Materialien, wie amorphes Silizium oder alternative Halbleiterverbindungen (z.B. Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid, CIGS). Ihr Hauptmerkmal ist die Flexibilität, die sie für folgende Anwendungen geeignet macht:

• gebogene oder unregelmäßige Oberflächen;
• mobile Anwendungen (Zelte, Wohnmobile, Boote, tragbare Geräte);
• innovative architektonische Integration, wie leichte Überdachungen oder transparente Fassaden.

Sie haben immer noch eine geringere Effizienz im Vergleich zu kristallinen Siliziumzellen, aber die Forschung zielt darauf ab, ihre Leistung und Haltbarkeit zu verbessern.

Neue Generation von Zellen

Neben den flexiblen Zellen erforscht die Forschung neue Technologien:

• Perowskit-Zellen: kostengünstige Materialien, die leicht herzustellen sind und ein sehr hohes Effizienzpotenzial aufweisen (>25%). Derzeit befinden sie sich in der experimentellen Phase aufgrund von Stabilitäts- und Haltbarkeitsproblemen;
• Tandem-Zellen: kombinieren mehrere Materialien (z.B. Perowskit + Silizium), um verschiedene Wellenlängen des Sonnenlichts zu erfassen und so die Effizienz zu steigern;
• organische Zellen (OPV): hergestellt aus leitfähigen Polymeren, leicht und potenziell druckbar, ideal für Designanwendungen und elektronische Geräte.

Diese Innovationen ebnen den Weg für eine Zukunft, in der Solarmodule nicht nur standardisierte Elemente sind, sondern integrierbare Komponenten in jeder Oberfläche oder technologischen Produkt.

Wie man die Planung einer Photovoltaikanlage optimiert

Die Planung einer Photovoltaikanlage beschränkt sich nicht auf die Auswahl der Zellen oder Module: Sie erfordert eine sorgfältige Untersuchung der klimatischen Bedingungen, der Ausrichtung, der Neigung und des Energiebedarfs des Gebäudes oder der Anlage.

In diesem Kontext werden Photovoltaik-Planungssoftware zu grundlegenden Werkzeugen. Sie ermöglichen es:

• die erwartete Energieproduktion basierend auf realen Bestrahlungsdaten zu berechnen;
• verschiedene Konfigurationen für Ausrichtung und Neigung der Module zu simulieren;
• die Auswirkungen möglicher Verschattungen zu identifizieren;
• Wechselrichter und Speichersysteme korrekt zu dimensionieren;
• die wirtschaftliche Rentabilität des Eingriffs zu bewerten.

Die Verwendung einer Photovoltaik-Software ist nicht nur eine technische Unterstützung, sondern auch ein Verbündeter, um fundiertere Entscheidungen zu treffen, Fehlerquoten zu reduzieren und wirklich effiziente und nachhaltige Anlagen zu realisieren. Für Fachleute bedeutet es, maßgeschneiderte, zuverlässige und leistungsstarke Lösungen zu planen. Mit einer professionellen Photovoltaik-Software können Sie einfach und schnell planen, die Leistung der Anlagen optimieren, Kosten senken und Ihren Kunden zuverlässige und wettbewerbsfähige Lösungen für die Energiewende anbieten. Darüber hinaus verfügt eine solche Software über spezifische Bibliotheken von Modulen, Wechselrichtern, Batterien und Photovoltaik-Komponenten, die für die korrekte Planung unerlässlich sind.

FAQ – Photovoltaikzellen

Was ist eine Photovoltaikzelle?

Eine Photovoltaikzelle ist ein Halbleitergerät, das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt, indem es den photovoltaischen Effekt nutzt. Sie stellt die grundlegende Einheit der Solarmodule dar und ist das Basiselement jeder Photovoltaikanlage.

Wie funktionieren Photovoltaikzellen?

Die Funktionsweise der Photovoltaikzellen basiert auf dem photovoltaischen Effekt. Wenn Sonnenlicht auf das Silizium der Zelle trifft, übertragen die Photonen Energie auf die Elektronen des Halbleiters und befreien sie von den atomaren Bindungen. Das Vorhandensein der p-n-Übergang, der durch Dotierung des Siliziums erzeugt wird, erzeugt einen Potentialunterschied, der die Elektronen in Bewegung setzt. Durch das Anschließen der Metallkontakte an einen externen Stromkreis wird Gleichstrom erzeugt.

Welche sind die Haupttypen von Photovoltaikzellen?

Die Photovoltaikzellen unterscheiden sich hauptsächlich nach der Struktur des verwendeten Siliziums. Die am weitesten verbreiteten Typen sind:

• monokristalline Zellen, die aus einem einzigen Siliziumkristall bestehen;
• polykristalline Zellen, die aus mehreren Kristallen bestehen;
• amorphe oder Dünnschichtzellen, die durch eine nicht-kristalline Struktur und größere Flexibilität gekennzeichnet sind.

Diese Technologien weisen unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Effizienz, Kosten und Anwendungen auf.

Wie hoch ist die Effizienz von Photovoltaikzellen?

Die Effizienz von Photovoltaikzellen gibt die Fähigkeit an, Sonnenstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Dieser Wert hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Qualität der Materialien, der Dicke des Halbleiters, der Betriebstemperatur und der Intensität des Sonnenlichts.

Die am weitesten verbreiteten Technologien weisen unterschiedliche Effizienzwerten auf:

• monokristalline Zellen: 15–22%
• polykristalline Zellen: 12–18%
• Dünnschichtzellen: 6–12%

Monokristalline Zellen sind in der Regel die effizientesten, während Dünnschichtzellen niedrigere Erträge haben, aber größere Flexibilität und Vielseitigkeit in der Anwendung bieten.

Was ist der Unterschied zwischen einer Photovoltaikzelle und einem Photovoltaikmodul?

Die Photovoltaikzelle ist das einzelne Halbleitergerät, das elektrische Energie aus Sonnenlicht erzeugt. Das Photovoltaikmodul, oder Photovoltaikpaneel, besteht hingegen aus einer Gruppe von elektrisch miteinander verbundenen Zellen, die in einer schützenden Struktur aus Glas, Einkapselungsschichten und einem Aluminiumrahmen eingeschlossen sind. Mehrere miteinander verbundene Module bilden eine Photovoltaikanlage.

Wie werden Photovoltaikzellen miteinander verbunden?

Photovoltaikzellen können in Serie oder parallel geschaltet werden. Bei der Serienschaltung addieren sich die Spannungen, während der Strom konstant bleibt. Bei der Parallelschaltung bleibt die Spannung konstant, während der Strom zunimmt.
Diese Konfigurationen ermöglichen es, die erforderlichen Spannungs- und Stromwerte für den Betrieb der Module und der Photovoltaikanlage zu erhalten.

Welche Faktoren beeinflussen die Leistung von Photovoltaikzellen?

Die Leistung von Photovoltaikzellen wird hauptsächlich von folgenden Faktoren beeinflusst:

• Temperatur, die die Spannung und damit die Effizienz der Zelle reduzieren kann;
• Sonnenstrahlung, die sich direkt auf den erzeugten Strom auswirkt;
• Qualität der Halbleitermaterialien und Struktur der Zelle.

Aus diesem Grund ist es bei der Planung einer Photovoltaikanlage wichtig, zuverlässige Klimadaten zu berücksichtigen und Simulationswerkzeuge zu verwenden, um die Energieproduktion abzuschätzen.