Wie funktioniert eine Solarzelle? Aus Sonnenlicht wird Strom

Auf Dächern, Feldern und sogar Taschenrechnern verwandeln dunkelblaue und schwarze Platten Sonnenlicht still in Strom – ohne bewegliche Teile, ohne Lärm, ohne Brennstoff. Solarstrom gehört heute zu den billigsten Stromquellen der Geschichte. Doch wie macht eine flache Platte aus Glas und Silizium aus Licht Strom?

Der photovoltaische Effekt

Licht besteht aus winzigen Energiepaketen, den Photonen. Trifft ein Photon auf bestimmte Materialien, kann es seine Energie an ein Elektron abgeben und es aus seinem Atom lösen. Lassen sich diese freien Elektronen in eine Richtung lenken, entsteht elektrischer Strom. Das ist der photovoltaische Effekt – „Photo“ für Licht, „voltaisch“ für Elektrizität.

Im Inneren einer Solarzelle

Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium, demselben Element wie Computerchips und Sand. Eine Zelle ist eine dünne Scheibe mit zwei Schichten:

• Die obere Schicht ist mit etwas Phosphor „dotiert“, was ihr zusätzliche Elektronen gibt – die n-Schicht.
• Die untere Schicht ist mit einem Element wie Bor dotiert, das Lücken hinterlässt, sogenannte Löcher, wo Elektronen fehlen – die p-Schicht.

Wo sich beide treffen, am p-n-Übergang, ordnen sich Elektronen und Löcher um und erzeugen ein eingebautes elektrisches Feld. Es wirkt wie eine Einbahnstraße.

Löst Sonnenlicht Elektronen heraus, treibt das Feld sie zur Oberseite und die Löcher zur Unterseite. Feine Metallbahnen an der Oberfläche sammeln die Elektronen, die dann durch einen äußeren Stromkreis fließen, eine Lampe speisen oder einen Akku laden, bevor sie zur Unterseite der Zelle zurückkehren. Solange Licht scheint, fließt der Strom.

Vom Modul zur Steckdose

Eine einzelne Zelle liefert nur etwa ein halbes Volt. Ein Modul verbindet Dutzende Zellen zu einer nützlichen Spannung. Module erzeugen Gleichstrom, Häuser nutzen Wechselstrom, also wandelt ein Wechselrichter um. Überschüssiger Strom kann Batterien laden oder ins Netz fließen.

Wie effizient sind Solarmodule?

Nicht jedes Photon erzeugt Strom. Ein Teil des Lichts wird reflektiert, manche Photonen haben zu wenig Energie, um ein Elektron zu lösen, und energiereiche verschwenden den Überschuss als Wärme. Typische Dachmodule wandeln heute etwa 20 bis 23 % des Sonnenlichts in Strom um. Die besten Silizium-Einzelzellen im Labor erreichen etwa 27 %, nahe an der theoretischen Grenze von rund 30 %.

Für mehr stapeln Forschende Schichten verschiedener Materialien, jede auf einen anderen Teil des Spektrums abgestimmt. Solche Mehrfachzellen haben im Labor über 47 % erreicht, sind aber teuer und vor allem in Raumfahrt und Spezialanlagen im Einsatz. Neue Materialien, sogenannte Perowskite, werden mit Silizium kombiniert, um den Wirkungsgrad günstiger zu steigern.

Licht, nicht Hitze

Solarmodule brauchen Licht, keine Wärme. Sie werden mit steigender Temperatur sogar leicht weniger effizient – ein kalter, heller Frühlingstag kann besser sein als ein glühend heißer Sommernachmittag. Bei Bewölkung liefern sie noch etwas Strom, nachts gar keinen.

Kurz gesagt

• Solarmodule nutzen den photovoltaischen Effekt: Licht löst Elektronen.
• Zellen bestehen aus zwei Siliziumschichten mit eingebautem elektrischem Feld.
• Das Feld treibt Elektronen in eine Richtung – es entsteht Gleichstrom.
• Ein Wechselrichter macht daraus Wechselstrom fürs Haus.
• Dachmodule wandeln etwa 20–23 % des Lichts um; Laborzellen schaffen über 47 %.
• Module brauchen Licht, nicht Wärme, und arbeiten am besten an kühlen, sonnigen Tagen.