Solarzellen: Strom aus Sonnenlicht

Auf jeden Quadratmeter der Erdoberfläche strahlt die Sonne unter günstigsten Bedingungen etwa eine Leistung von einem Kilowatt ab. Könnte man diese Leistung technisch nutzen, gäbe es keine Energieversorgungsprobleme mehr, der weltweite Bedarf an Strom und Wärme ließe sich mehrere tausend Mal problemlos decken. Mit Solarzellen und -Modulen lässt sich ein Teil des Sonnenlichts direkt in Strom umwandeln. Ein flächendeckender Einsatz wird aber durch die bislang hohen Kosten erschwert.

Die meisten klassischen Solarmodule bestehen aus Scheiben aus kristallinem Silizium (den sogenannten Wafern), die aus Quarz (Sand) gewonnen werden. Solche Solarmodule haben Wirkungsgrade von etwa 12 - 17 Prozent und eine garantierte Lebensdauer von etwa 30 Jahren. Inzwischen gibt es aber auch Solarmodule aus extrem dünnen Halbleiterschichten und -verbindungen, die auf flexiblen Folien aufgedampft werden können. Diese Dünnschicht-Solarzellen können erheblich günstiger produziert werden. Sie sind einfacher in der Herstellung und brauchen weniger Material und Energie. Sie haben allerdings noch einen geringeren Wirkungsgrad als die etablierte „klassische“ Photovoltaik.

Die Forschung arbeitet daran, die Wirkungsgrade weiter zu steigern, die Lebensdauer zu erhöhen und gleichzeitig die Produktionskosten zu senken. Solarmodule aus mehreren Schichten, die aktiv das Sonnenlicht absorbieren, haben die höchsten Wirkungsgrade. Sie nutzen ein breiteres Spektrum des Lichts. Der Weltrekord liegt zurzeit bei mehr als 41 Prozent (Fraunhofer Institut ISE in Freiburg, 2009, www.ise.fhg.de).

In der Entwicklung sind auch Solarzellen aus organischen Materialien.

Um abgelegene Siedlungen oder Geräte fernab von anderen Infrastrukturen mit Strom zu versorgen (so genannte Insellösungen), sind Solarmodule ideal.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Solarzellen bestehen aus mindestens zwei Halbleiterschichten mit unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften. Das wird in der Regel durch gezielte Verunreinigung mit Fremdmaterial erreicht. Mit der sogenannten Dotierung werden zwei unterschiedliche Arten von Fremdatomen in die Kristallgitter der Schichten eingefügt. In der Grenzschicht, wo die beiden unterschiedlichen Schichten aufeinander stoßen, entsteht dadurch ein Feld mit einer kleinen elektrischen Spannung. Einfallendes Sonnenlicht (Photonen) gibt Energie an gebundene elektrische Ladungen (Elektronen) in den Festkörperschichten weiter. Diese Elektronen wandern nun zu den Außenkontakten und lassen so einen Gleichstrom fließen.

Autorin: Antonia Rötger