Die einzelnen Solarzellen bilden das Herzstück der gesamten Photovoltaikanlage, da sie für die Produktion der elektrischen Energie verantwortlich sind. Hauptbestandteil dieser Solarzellen ist der Werkstoff Silizium, welcher nach Sauerstoff das häufigste Element auf der Erde ist.
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Aufbau & Arten
Silizium ist ein Halbleiter und zentraler Bestandteil der Solarzellen. Im ersten Schritt wird der Rohstoff Quarzsand von jeglichen Unreinheiten befreit und in metallurgisches Silizium umgewandelt. Dieses metallurgisches Silizium besitzt nun eine besondere kristalline Struktur, welche essenziell für die weitere Verarbeitung ist.
Durch den photochemischen Effekt kann anhand von diesen Solarzellen jetzt elektrische Energie aus der Sonnenenergie hergestellt werden. Dadurch, dass frei verfügbare Sonnenenergie umgewandelt wird, zählen Solarzellen als erneuerbare Energie.
Vereinfacht besteht eine Solarzelle aus zwei Schichten Silizium, die übereinander gelegt werden. An der Grenzfläche zwischen diesen zwei Schichten entsteht eine Differenz im elektrischen Potenzial und es kommt zu einem Stromfluss. Dieser Strom, welcher durch einkommendes Licht erzeugt wird, kann dann umgewandelt werden und im Haushalt verwendet werden.
monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen sind durch ihre charakteristische glatte und ebene Oberfläche und meist tiefschwarze Farbe bekannt. Durch die vorhandenen Monokristalle ist die Güte der Solarzelle höher, welches sich dann auch in dem hohen Wirkungsgrad widerspiegelt. Mit einem Wirkungsgrad von bis zu 18 % sind diese Zellen effizienter als weit verbreitete polykristalline Solarzellen. Jedoch ist hier der energieintensive Herstellungsprozess anzumerken, welcher sich in einem höheren Kaufpreis äußert.
polykristalline Solarzellen
Polykristalline Solarzellen sind in knapp der Hälfte aller verbauten Solaranlagen verbaut, was sie zu dem unangefochtenen Marktsieger macht. Obwohl diese Zellen einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad von bis zu 16 % haben, sind sie durch ihren geringeren Anschaffungspreis beliebter. Polykristalline Solarzellen äußern sich durch ihre bläulich kristallinen Oberfläche, welche an eine Eisstruktur erinnert. Farblich sind sie durch verschiedenen Zellstrukturen weitaus diverser als monokristalline.
Der niedrigere Preis kommt durch ein vereinfachtes Herstellungsverfahren zustande. Hier wird die Siliziumschmelze in quadratische Formen gegossen, welche dann in dünne Schichten zersägt werden. Diese dünnen Schichten werden Wafer genannt. Grund für eine Einbuße von circa 2 Prozent Wirkungsgrad gegenüber den monokristallinen Solarzellen ist die hellere Farbe, welche weniger Licht anzieht.
Dünnschichtzellen
Dünnschichtzellen sind im Vergleich zu monokristallinen und polykristallinen Solarzellen sehr dünn. Die Wirkungsweise um elektrische Energie zu produzieren ist nahezu gleich, jedoch unterscheidet sich der Herstellungsprozess. Amorphe Dünnschichtzellen bestehen ebenfalls zu hohem Maße aus Silizium. Silizium wird auf das Trägermaterial, meist Glas, aufgedampft und bildet somit diese sehr dünnen Schichten, welche nur circa 1 µm dick sind. Dadurch, dass der Materialeinsatz so enorm gesenkt werden kann, ist langfristig eine Senkung im Preisniveau der Solarzellen anzunehmen.
Das Trägermaterial kann beliebig ausgetauscht werden. Durch den Einsatz von Kunststoff können Solarmodule flexibel, leicht und verformbar hergestellt werden. Diese finden Einsatz in kleineren tragbaren Solaranlagen im Camping- und Outdoorbereich.
organische Solarzellen
Im Vergleich zu den bereits vorgestellten Solarzellen, bestehen organische Solarzellen nicht aus Silizium, sondern aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Derzeit besitzen alle anderen Solarzellen noch einen sehr viel höheren Wirkungsgrad, jedoch besteht hier noch ein sehr großer Raum und diesen zu erhöhen sowie den Herstellungsprozess effizienter zu gestalten. Die Herstellung ist sehr viel einfacher und kann durch Optimierung der Prozesse den Verkaufspreis enorm drücken. Durch Individualisierung der Oberfläche, können diese Zellen auch auf Dächern eingesetzt werden, welche unter Denkmalschutz stehen.
Wirkungsgrad & Leistung
Der Wirkungsgrad ist das Schlüsselelement in der Bemessung der Effizienz von Solarzellen und Solaranlage. Vereinfacht gesagt, ist der Wirkungsgrad die Zahl, welche man bekommt, nachdem man den erzeugten Solarstrom durch das benötigte einfallende Sonnenlicht teilt. Das bedeutet, dass es eine Aussage ist, wie viel Prozent der auftreffenden Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Eine Möglichkeit, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist die Kombination von mehreren Solarzellen, welche übereinander gestapelt werden.
Die Leistung von Solarzellen wird für gewöhnlich in Kilowattpeak angegeben. Die Einheit Kilowattpeak, kurz kWp, beschreibt die optimale Leistung unter folgenden genormten Bedingungen: 1000 Watt pro Quadratmeter Sonneneinstrahlung, 25 Grad Celsius Modultemperatur sowie einer Airmass von 1,5. Diese genormten Testbedingungen machen den Vergleich von verschiedenen Solarzellen möglich. In Deutschland kann mit einer 1 kWp Photovoltaikanlage etwa 800 bis 1000 kWh Strom erzeugt werden. Im Durchschnitt verbraucht ein Haushalt mit vier Personen circa 4000 kWh Strom.
