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Von Photon zu Volt: Wie funktioniert eine Solarzelle?

Einleitung: Sonnenenergie im Halbleiter

Ob Solaranlage, Solarmodul oder Solarzelle: In allen Begriffen steckt das Wort „Solar" – abgeleitet vom lateinischen „solaris", was so viel bedeutet wie „die Sonne betreffend". Die warmen Sonnenstrahlen unseres Sterns bieten neben ihrer lebenswichtigen Funktion auch einen enormen technischen Nutzen.

Kern jeder Photovoltaikanlage ist immer dieselbe Idee: Lichtenergie wird direkt in elektrische Energie umgewandelt. Das funktioniert, weil spezielle Halbleiter wie Silizium bei Lichteinfall Elektronen freisetzen können. In diesem Artikel erfahren Sie, wie genau dieser Prozess abläuft.

Photovoltaischer Effekt: Die Grundlage

Beim photovoltaischen Effekt werden unter bestimmten Materialbedingungen durch einfallende Photonen (Lichtteilchen) Elektronen aus ihren atomgebundenen Umlaufbahnen gestoßen. Doch wie wird aus Licht nutzbarer Strom? Hier kommt der P-N-Übergang ins Spiel.

Was ist ein P-N-Übergang?

Der P-N-Übergang beschreibt eine Grenzzone zwischen zwei unterschiedlichen Halbleiterwerkstoffen mit besonderen Leiteigenschaften. Diese Grenzzone entsteht durch sogenannte Dotierung – das gezielte Einbringen von Fremdatomen in das Silizium:

  • P-dotiertes Silizium (z.B. mit Bor): Hat freie Elektronenplätze, wirkt als positive Seite (Akzeptor-Atome)
  • N-dotiertes Silizium (z.B. mit Phosphor): Hat freie Elektronen, wirkt als negative Seite (Donator-Atome)
  • Raumladungszone: An der Grenze zwischen P- und N-Bereich entsteht ein elektrisches Feld, das für die Ladungstrennung verantwortlich ist

Die freien Elektronen an der Grenze des N-Elements wandern auf die freien Elektronenplätze des P-Elements. Dadurch entsteht das elektrische Feld in der Grenzzone.

Vom Photon zur Spannung: Der Prozess Schritt für Schritt

Mit Hilfe der folgenden Schritte lässt sich der ganze Prozess von Photon zu Volt erklären:

  1. Photon trifft auf die Grenzzone: Ein Lichtteilchen erreicht den P-N-Übergang oder dessen Nähe
  2. Elektron löst sich: Das Photon überträgt seine Energie auf ein Elektron, das sich vom Atom löst und ein positiv geladenes „Loch" hinterlässt
  3. Ladungstrennung: Das elektrische Feld der Raumladungszone treibt Elektronen zur N-Seite und Löcher zur P-Seite
  4. Spannung entsteht: Durch die räumliche Trennung der Ladungen baut sich eine nutzbare elektrische Spannung auf
  5. Strom fließt: Wird ein Verbraucher angeschlossen, fließt elektrischer Strom – Haushaltsgeräte, Wärmepumpen oder andere Anwendungen können betrieben werden

Schematische Darstellung einer Solarzelle mit P-N-Übergang und Elektronenfluss

Einstein und der photoelektrische Effekt

Was viele nicht wissen: Albert Einstein erhielt den Nobelpreis nicht für die weltberühmte Relativitätstheorie mit der Formel E=mc², sondern für die Erklärung des photoelektrischen Effekts im Jahr 1921. Der photovoltaische Effekt ist ein Sonderfall des photoelektrischen Effektes.

Ohne Einsteins Erkenntnisse wären moderne Technologien wie Smartphones, Internet, Mikrochips und eben auch Photovoltaikanlagen nicht möglich gewesen.

Wichtige Kennzahlen einer Solarzelle

Wirkungsgrad des Moduls

Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der eingestrahlten Sonnenenergie tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt wird:

  • Monokristalline Module: 18–24% (höchster Wirkungsgrad)
  • Polykristalline Module: 15–20% (gutes Preis-Leistungs-Verhältnis)
  • Dünnschichtmodule: 8–15% (leichte Integration, flexible Anwendungen)
  • Experimentelle Zellen: Bis zu 47% im Labor (Tandem-Solarzellen)

Zum Vergleich: Eine alte Glühbirne wandelt nur etwa 5% der Energie in Licht um – der Rest geht als Wärme verloren.

Temperaturkoeffizient

Steigende Modultemperatur senkt die Spannung und damit die Leistung. Typische Werte:

  • Bei Temperaturerhöhung um 1°C sinkt die Leistung um ca. 0,3–0,5%
  • Bei 40°C Modultemperatur statt 25°C (Standardbedingung) verliert ein Modul bereits 4,5–7,5% Leistung

Verschattung & Bypass-Dioden

Teilverschattung eines Moduls reduziert den Strom stark – nicht nur proportional zur verschatteten Fläche. Bypass-Dioden begrenzen diese Ertragsverluste, indem sie verschattete Zellen überbrücken.

Materialwahl im Überblick

Technologie Wirkungsgrad Vorteile Nachteile
Monokristallin 18–24% Höchste Effizienz, lange Lebensdauer Höhere Kosten
Polykristallin 15–20% Günstiger, bewährte Technik Etwas geringere Effizienz
Dünnschicht 8–15% Flexibel, leicht, teilverschattungsresistent Niedrigster Wirkungsgrad

Fazit

Merksatz: Die Solarzelle ist das Herzstück jeder Photovoltaikanlage. Durch den photovoltaischen Effekt und den cleveren Aufbau aus dotierten Halbleitern wird Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umgewandelt.

Weiter geht's: Im nächsten Artikel Aufbau einer PV-Anlage: Vom Modul bis zur Einspeisung erfahren Sie, wie aus einzelnen Zellen komplette Solaranlagen werden und wie der Strom zur Steckdose gelangt.

Quellen und weiterführend