Die Solarzelle: So kommt Sonnenenergie aus der Steckdose

Die Photovoltaikanlage ist mittlerweile in der Mitte unserer Gesellschaft angekommen. Ob öffentliche oder gewerbliche Großbauten oder auch das private Einfamilienhaus – eine Solaranlage ziert eine immer größere Zahl von Dächern. Unweigerlich kommt daher irgendwann die Frage auf: Wie funktioniert eine Solarzelle eigentlich? Und seit wann gibt es Solaranlagen überhaupt schon? Hier erfahren Sie Nützliches und Interessantes über den Aufbau einer Solarzelle und die Funktionsweise bei der Stromerzeugung aus Sonnenlicht.

Strom aus Sonnenenergie – einfache Technik oder doch ein Wunder?

Für viele Menschen erscheint es unvorstellbar, sozusagen aus „nichts“ elektrische Energie zu erzeugen. Und ganz klar ist diese Form der Energieerzeugung völlig anders aufgestellt, als beispielsweise die Kohleverstromung oder die Wärmeerzeugung aus Gas oder Öl, wo ja immer ein greifbares Medium in Energie umgesetzt wird. Einfacher vorstellbar wird die Sonnenlichtverstromung mit der Annahme, dass ja auch Strom letztlich unsichtbar und nicht greifbar ist. Letztlich wird die Energie der Sonne in der Solarzelle also weit weniger stark verändert, als man annimmt. Es erfolgt „nur“ eine Transformation von unsichtbarer Lichtstrahlung in elektrische Spannung. Damit wird diese Form der Energiegewinnung entzaubert, aber keineswegs weniger wirkungsvoll und interessant.

Wann wurde die Solarzelle erfunden?

Der Ursprung der Solarzelle reicht bis in das 19. Jahrhundert zurück. Die theoretischen Grundlagen wurden erstmals von Alexandre Edmond Becquerel zusammengefasst. Selbst Albert Einstein befasste sich mit dem Thema und erhielt für seine Lichtquantentheorie im Jahr 1921 sogar den Nobelpreis. Die ersten funktionstüchtigen Sonnenkollektoren wurden aber erst 1953 von den Bell Laboratories entwickelt und zunächst militärisch eingesetzt. Erst seit den 1980er Jahren findet die Technik Zug um Zug Einzug in die private Nutzung am und vor allem auf dem Wohngebäude.

Der Aufbau von Solarkollektoren

Damit die Solarenergie tatsächlich genutzt werden kann, bedarf es einer ganzen Reihe von Komponenten, die sich zu einem Gesamtsystem zusammenfügen:

Die Zelle

Die einzelnen Zellen sind die Einheiten innerhalb der PV-Anlage, die die eigentliche Aufgabe übernehmen, die Sonnenenergie in Strom umzusetzen. Ohne sie gäbe es keine Photovoltaikanlagen. Obwohl verschiedene Techniken bestehen, haben sich einige wenige Methoden zur Stromerzeugung durchgesetzt und sind heute als Standard bekannt. Hierzu zählt vor allem die Siliziumzelle.

Bündelung und Transformation der Solarenergie

Der in der Solarzelle erzeugte Strom ist weder in Sachen Stromstärke noch „Beschaffenheit“ dazu geeignet, verbraucht zu werden. Jede Solaranlage muss deshalb die einzelnen Ströme sammeln, bündeln und anschließend so transformieren, dass der netzübliche Wechselstrom entsteht.

Einspeisen oder Speichern – Solarstrom nutzbar machen

Ist der Solarstrom erst einmal in einer nutzbaren Form, muss er zum Verbraucher kommen. Typisch sind hier zwei Methoden: entweder wird die Energie in das öffentliche Netz eingespeist und trägt somit zur Versorgung der Allgemeinheit bei. Alternativ kann die Energie in einem hauseigenen Akkuspeicher gesammelt und anschließend selbst für alle im Haushalt anstehenden strombedürftigen Aktivitäten eingesetzt werden.

Wie sind Solarzellen aufgebaut?

Der Aufbau einer Solarzelle ist relativ einfach zu verstehen. Eine Solarzelle besteht hauptsächlich aus zwei Schichten Silizium, einem Halbleitermaterial. Die obere Schicht ist mit Phosphor dotiert, was sie negativ lädt, während die untere Schicht mit Bor dotiert ist und eine positive Ladung trägt. Zwischen diesen Schichten entsteht ein elektrisches Feld. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden Elektronen in Bewegung gesetzt und erzeugen Strom. Diese Elektronen werden durch Metallkontakte an der Ober- und Unterseite der Solarzelle gesammelt und in nutzbaren Gleichstrom umgewandelt. Ein Schutzglas über der Zelle sorgt für Stabilität und Langlebigkeit.

Der Halbleiter – das Herz einer jeden PV-Anlage

Der Aufbau einer Solarzelle ist relativ simpel. Auf einer Trägerplatte wird eine Schicht eines elektrostatisch wirksamen Materials aufgebracht. Heute kommt hier wegen seiner hohen Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit vor allem Silizium zum Einsatz. Trifft kurzwelliges, also energiereiches Sonnenlicht auf das Silizium, werden die Elektronen der Moleküle angeregt und beginnen zu wandern. Es entsteht eine elektrische Spannung. Diese Spannung kann über angeschlossene Elektroden jeder einzelnen Zelle abgenommen und damit grundsätzlich für die Solaranlage nutzbar gemacht werden. Damit ist die photoelektrische Zelle das kleinste Modul und der eigentliche Ort, an dem Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird.

Von der Zelle zu ganzen Sonnenkollektoren

Einzelne Solarzellen liefern Strom. Allerdings nur so wenig, dass er weder im Hinblick auf die Spannung noch auf die Stromstärke ausreicht, um technisch nutzbar zu sein. Deshalb werden in einer Photovoltaikanlage immer unzählige einzelne Zellen kombiniert, um zunächst Module und dann durch die Reihung dieser Einzelmodule eine ganze Solaranlage zu bilden. So summieren sich die erzeugten Einzelströme zu einem Gesamtstrom, der sich hinsichtlich Modulation und Spannung entsprechend an den Bedarf anpassen lässt.

Gleichstrom oder Wechselstrom? Warum ist das bei Solarkollektoren ein Thema?

Der Aufbau von Solarzellen führt zwangsläufig dazu, dass die Solaranlage zunächst einmal Gleichstrom, also elektrische Energie mit einheitlichem gerichtetem Stromfluss erzeugt. Zwar liegt jeder Solarzelle die Funktionsweise wie beschrieben zugrunde. Allerdings arbeitet vorläufig jede Zelle autark und erzeugt somit eine eigene Spannung, die unabhängig von den sonstigen Zellen und Modulen existiert. Im Rahmen der Bündelung müssen verschiedene Spannungen und Frequenzen aber in Einklang gebracht werden. Das geschieht über einen Gleichrichter. Solarstrom ist zunächst also Gleichstrom. Allerdings ist der übliche Haushaltsstrom Wechselstrom, also mit in Abhängigkeit von der Frequenz zig-fach je Sekunde wechselnder Fließrichtung. Damit Sonnenstrom auch tatsächlich nutzbar ist, muss deshalb eine Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom erfolgen, bevor die Eigennutzung oder Einspeisung erfolgen kann. Unverzichtbarer Teil einer jeden PV-Anlage ist deshalb der sogenannte Wechselrichter. Er schließt die Stromerzeugung ab und bildet den Übergang von internem Stromfluss des Systems zur allgemein nutzbaren Elektrizität.

Fazit – mit Photovoltaik Sonnenenergie umwandeln in Strom – kein Wunder, sondern praktisch angewandte Physik

Die Solaranlage ist heute allgemein bekannt. Solarstrom gilt als zentraler Bestandteil der Energiewende und als eine der Technologien der Zukunft. Die Umwandlung der Sonnenenergie in elektrischen Strom geschieht dabei in der einzelnen Solarzelle. Für sich genommen klein und unscheinbar, liefert sie doch einen wichtigen Beitrag zu unserer Energieversorgung. Und in großer Zahl zusammengeschaltet ist sie in der Lage, ganze Haushalte oder noch größere Einheiten zuverlässig mit Energie zu versorgen.