Was ist eine Solarzelle und wie funktioniert sie?

Um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln, braucht man Solarmodule. Diese bestehen nämlich aus sogenannten Solarzellen. In der Fachsprache nennt man die Erzeugung von elektrischer Energie aus Sonnenlicht auch Photovoltaik. Im Jahr 1839 entdeckte der französische Wissenschaftler Alexandre Edmond Becquerel, den sogenannten photoelektrischen Effekt. Dieser gilt als Grundvoraussetzung für die Gewinnung von elektrischer Energie aus Sonnenlicht. Erst Albert Einstein konnte den bereits beschriebenen Effekt auch quantenphysikalisch erklären. Dafür erhielt er sogar den Nobelpreis für Physik.
Mitte des 20 Jahrhunderts wurden Solarzellen überwiegend in der Weltraumtechnik (z.B. für den Antrieb eines Satelliten) eingesetzt. Seit rund 20 Jahren werden diese auch zur Energiegewinnung auf der Erde genutzt. Die Ursache dafür liegt vor allem im Anstieg der Preise für Öl oder Gas bzw. dem anhaltenden Klimawandel.

Um die Funktionsweise einer Solarzelle zu verstehen, muss man sich zunächst mit dem Aufbau und der Struktur der Photozelle befassen. In der Photovoltaik nennt man den, in der Fotozelle ablaufenden, Prozess auch inneren photoelektrischen Effekt.

In der Regel bestehen Solarzellen aus dem Halbleiterelement Silizium. Dieses besitzt immer vier Außenelektronen (Valenzelektronen). Bei der Produktion der Solarzellen werden geringste Mengen anderer Elemente (z.B. Bor und Arsen) dem Silizium zugefügt. Dadurch wird das eigentlich feste Kristallgitter des Siliziums gestört. Diesen Vorgang nennt man in der Fachsprache Dotierung. Auf der einen Seite werden dadurch Atome, die ein Elektron mehr besitzen wie z.B. Arsen implementiert (n-Dotierung). Hier herrscht also ein Elektronenüberschuss. Auf der anderen Seite haben die Atome des Elementes Bor nur drei Elektronen. Auch diese werden zugefügt (p-Dotierung). Dort besteht im Gegensatz zum Arsen aber ein Elektronenmangel (Löcher). Die verschiedenen Elemente sind in speziellen Schichten angeordnet.

Sobald die im Licht enthaltenen Photonen auf die Photozelle treffen, beginnt eine physikalische Reaktion, bei der die positiven und negativen Landungsträger zu den gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle wandern und dadurch Spannung erzeugen . Zunächst absorbiert das Silizium das Photon, sodass ein Elektron aus der Kristallgitter herausgelöst und zu einem freien Elektron wird. Dieser Prozess findet vielfach gleichzeitig statt, sodass Ladungen kontinuierlich von einander getrennt werden. Diese elektrische Spannung muss durch einen geschlossenen Stromkreis geschickt werden, damit Gleichstrom fließen kann. Da das Stromnetz aber nur mit Wechselstrom arbeitet, muss der Gleichstrom mittels eines Wechselträgers noch umgewandelt werden.