Artikel aktualisiert am 21.03.2024
von Boris Stippe | ca: 9 Min. zu lesen

Kristalline Solarzellen

Wofür dienen Siliziumsolarzellen in Solarmodulen?

Kristalline Solarzellen sind Solarzellen aus Siliziumkristallen, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Sie sind die am weitesten verbreitete Technologie zur Erzeugung von Solarstrom und haben einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom.

Kristalline Solarzellen
Kristalline Solarzellen (Bildquelle: StudioLaMagica – stock.adobe.com)

Kristalline Solarzellen, auch Siliziumsolarzellen genannt, sind die am weitesten verbreitete Technologie zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität. Diese Art von Solarzellen besteht aus Siliziumkristallen, die in dünnen Schichten übereinander gestapelt werden, um eine Solarzelle zu bilden. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden im Siliziumkristall Elektronen freigesetzt, die sich durch den elektrischen Stromkreis der Solarzelle bewegen und elektrischen Strom erzeugen.

Kristalline Solarzellen werden im Allgemeinen in zwei Typen unterteilt: monokristalline und polykristalline Solarzellen. Monokristalline Solarzellen werden aus einem einzigen Siliziumkristall hergestellt, der zu einem Zylinder geformt und dann in dünne Scheiben geschnitten wird. Polykristalline Solarzellen werden aus vielen Siliziumkristallen hergestellt, die zu einem Block gegossen und dann in dünne Scheiben geschnitten werden. Monokristalline Solarzellen haben in der Regel einen höheren Wirkungsgrad als polykristalline Solarzellen, sind aber auch teurer in der Herstellung.

Der Wirkungsgrad kristalliner Solarzellen hängt von mehreren Faktoren ab, unter anderem von der Qualität des Siliziummaterials, der Dicke der Kristallschichten und der Technologie zur Herstellung der Solarzellen. Trotz dieser Herausforderungen haben kristalline Solarzellen in den letzten Jahrzehnten eine enorme Entwicklung durchgemacht und sind heute eine wichtige Technologie zur Erzeugung erneuerbarer Energie, insbesondere in der Solarindustrie.

Wie funktionieren kristalline Solarzellen?

Kristalline Solarzellen sind eine Art von Solarzellen, die aus Siliziumkristallen hergestellt werden und in der Lage sind, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Die Funktionsweise beruht auf dem so genannten photovoltaischen Effekt. Wenn Sonnenlicht auf eine Solarzelle fällt, treffen Photonen auf die Oberfläche des Siliziumkristalls. Dadurch werden Elektronen im Siliziummaterial angeregt und in einen höheren Energiezustand versetzt. Durch eine elektrische Spannung, die zwischen den Schichten der Solarzelle angelegt wird, können die Elektronen schließlich aus dem Siliziummaterial herausgelöst werden. Die Elektronen fließen als elektrischer Strom zu einem angeschlossenen Verbraucher oder in eine Batterie.

Die Schichten einer kristallinen Solarzelle bestehen aus verschiedenen Materialien. In der Regel besteht eine kristalline Solarzelle aus einer positiv geladenen Schicht (p-Typ) und einer negativ geladenen Schicht (n-Typ). Diese Schichten werden auch als pn-Übergang bezeichnet. Die p-Schicht entsteht durch die Beimischung von Elementen wie Bor oder Aluminium, die n-Schicht durch die Beimischung von Elementen wie Phosphor oder Arsen. Durch den pn-Übergang bilden sich an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten Elektronenlochpaare.

Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden die Elektronen im Siliziummaterial angeregt und gehen in einen höheren Energiezustand über. Dabei bewegen sie sich in Richtung des pn-Übergangs. Dort treffen sie auf die Elektronen-Loch-Paare und rekombinieren miteinander. Dabei geben sie Energie in Form von Photonen ab, die als Licht sichtbar sind. Ein Teil der Elektronen kann aber auch durch den pn-Übergang in die n-leitende Schicht fließen und dabei einen elektrischen Strom erzeugen. Dieser Strom kann zur Stromerzeugung oder zum Aufladen einer Batterie genutzt werden.

Kristalline Solarzellen sind eine bewährte Technologie zur Erzeugung von Solarenergie. Sie haben einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom und können in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, von kleinen Taschenrechnern bis hin zu großen Solaranlagen. Der Wirkungsgrad kristalliner Solarzellen hängt von mehreren Faktoren ab, unter anderem von der Qualität des Siliziummaterials, der Dicke der Kristallschichten und der Technologie zur Herstellung der Solarzellen. Dennoch sind sie eine wichtige Technologie für die Erzeugung erneuerbarer Energie und tragen dazu bei, die globalen CO2-Emissionen zu reduzieren.

Was ist der Unterschied zwischen mono- und polykristallinen Solarzellen?

Monokristalline Solarzellen werden aus einem einzigen Siliziumkristall hergestellt, der in einem aufwendigen Verfahren gezüchtet wird. Der Kristall wird in einem Ofen geschmolzen und dann langsam abgekühlt. Anschließend wird der Kristall in dünne Scheiben geschnitten, die als Solarzellen verwendet werden. Monokristalline Solarzellen haben einen höheren Wirkungsgrad als polykristalline Solarzellen, da der Kristall eine homogenere Struktur aufweist und somit die Elektronen besser transportiert werden können. Monokristalline Solarzellen haben auch eine dunklere Farbe als polykristalline Solarzellen und sehen ästhetischer aus.

Polykristalline Solarzellen werden aus vielen kleinen Siliziumkristallen hergestellt, die zu einem Block gegossen und dann in dünne Scheiben geschnitten werden. Im Gegensatz zu monokristallinen Solarzellen können die Kristalle unterschiedliche Größen und Ausrichtungen haben. Dies führt zu einem geringeren Wirkungsgrad, da die Elektronen aufgrund der heterogenen Struktur der Kristalle schwerer durch die Solarzelle transportiert werden können. Polykristalline Solarzellen haben jedoch den Vorteil, dass sie kostengünstiger hergestellt werden können als monokristalline Solarzellen.

Beide Arten von Solarzellen haben ihre Vor- und Nachteile, und die Wahl hängt oft von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. Monokristalline Solarzellen sind in der Regel teurer, haben aber einen höheren Wirkungsgrad und können auf einer kleineren Fläche mehr Strom erzeugen. Polykristalline Solarzellen sind kostengünstiger und haben eine bessere Leistung bei diffusem Licht, d.h. sie liefern auch bei bewölktem Himmel eine gute Leistung.

Wie effizient sind kristalline Solarzellen im Vergleich zu anderen Solarzellentechnologien?

Kristalline Solarzellen sind eine der effizientesten Solarzellentechnologien auf dem Markt und machen derzeit den Großteil der installierten Solaranlagen aus. Der Wirkungsgrad kristalliner Solarzellen hängt jedoch von mehreren Faktoren ab, wie der Qualität des verwendeten Siliziums, der Dicke der Kristallschichten und der Technologie zur Herstellung der Solarzellen.

Der Wirkungsgrad kristalliner Solarzellen liegt derzeit zwischen 15 % und 22 %. Das bedeutet, dass sie zwischen 15% und 22% der einfallenden Sonnenenergie in Strom umwandeln können. Im Vergleich zu anderen Solarzellentechnologien sind kristalline Solarzellen relativ effizient. Dünnschichtsolarzellen haben einen Wirkungsgrad von etwa 7% bis 13%, während konzentrierende Solarzellen einen Wirkungsgrad von etwa 30% erreichen können. Diese Technologien sind jedoch oft teurer und erfordern spezielle Ausrüstung für die Herstellung und Installation.

Es gibt jedoch auch andere Arten von Solarzellentechnologien, die einen höheren Wirkungsgrad als kristalline Solarzellen aufweisen. Beispielsweise haben Hochleistungssolarzellen wie Galliumarsenid- oder CIGS-Solarzellen einen Wirkungsgrad von über 30 %. Diese Technologien sind jedoch oft teurer und finden nur begrenzt kommerzielle Anwendung.

Insgesamt sind kristalline Solarzellen eine bewährte und zuverlässige Technologie zur Erzeugung von Solarenergie. Obwohl sie nicht den höchsten Wirkungsgrad aufweisen, haben sie den Vorteil, dass sie kostengünstig hergestellt werden können und für viele Anwendungen geeignet sind.

Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad kristalliner Solarzellen?

Der Wirkungsgrad kristalliner Solarzellen hängt von mehreren Faktoren ab, die sowohl den Aufbau der Solarzellen als auch die Einsatzbedingungen beeinflussen. Im Folgenden sind einige der wichtigsten Faktoren aufgeführt:

  • Qualität des Siliziummaterials: Je reiner das Silizium ist, desto besser sind die elektrischen Eigenschaften der Solarzellen. Verunreinigungen im Siliziummaterial können dazu führen, dass sich Elektronen und Löcher nicht effizient bewegen können, was die Leistung der Solarzelle verringert.
  • Dicke der Kristallschichten: Die Dicke der Kristallschichten in der Solarzelle beeinflusst ebenfalls den Wirkungsgrad. Dickeres Siliziummaterial bedeutet mehr Widerstand, was zu Energieverlusten führen kann. Zu dünne Schichten können aber auch zu Problemen beim Elektronentransport führen.
  • Technologie zur Herstellung von Solarzellen: Die Art und Weise, wie die Solarzellen geschnitten, verarbeitet und verschaltet werden, kann die Leistung der Solarzelle beeinflussen.
  • Temperatur: Auch die Temperatur beeinflusst den Wirkungsgrad von Solarzellen. Eine höhere Temperatur kann dazu führen, dass sich Elektronen und Löcher nicht mehr so effizient bewegen können, wodurch die Leistung der Solarzelle sinkt. Es ist wichtig, dass Solarzellen gekühlt werden, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.
  • Beleuchtung: Die Intensität und Art der Beleuchtung, die auf die Solarzelle trifft, beeinflusst ebenfalls den Wirkungsgrad. Solarzellen arbeiten am besten bei direktem Sonnenlicht, können aber auch bei diffusem Licht Strom erzeugen. Die Ausrichtung der Solarzelle und die Möglichkeit, sie an den Standort anzupassen, können die Leistung der Solarzelle ebenfalls beeinflussen.

Insgesamt ist der Wirkungsgrad kristalliner Solarzellen ein komplexes Thema, das von vielen Faktoren beeinflusst wird. Fortschritte in Forschung und Technologie zur Optimierung dieser Faktoren werden jedoch dazu beitragen, dass kristalline Solarzellen in Zukunft noch effizienter und kostengünstiger werden.

Wie lange halten kristalline Solarzellen und wie wartungsintensiv sind sie?

Im Allgemeinen haben kristalline Solarzellen eine Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren oder mehr, d.h. sie können über einen langen Zeitraum zuverlässig Strom erzeugen. Die Lebensdauer von Solarzellen hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem von der Qualität des Siliziummaterials und der Art der Verschaltung der Solarzellen.

Kristalline Solarzellen sind außerdem relativ wartungsarm und erfordern während ihrer Lebensdauer nur wenige Wartungsarbeiten. Die wichtigsten Wartungsarbeiten sind die Reinigung der Solaranlage und die Überprüfung der elektrischen Verkabelung und der Stromerzeugung. Die Solaranlage sollte regelmäßig gereinigt werden, um sicherzustellen, dass die Solarzellen frei von Schmutz, Staub und anderen Verunreinigungen sind, die die Leistung der Solaranlage beeinträchtigen könnten. Die Reinigung kann mit Wasser und milden Reinigungsmitteln erfolgen, um Verunreinigungen zu entfernen.

Die elektrische Verkabelung und der Wechselrichter sollten ebenfalls regelmäßig überprüft werden, um sicherzustellen, dass die Solaranlage ordnungsgemäß funktioniert und Strom erzeugt. Der Wechselrichter wandelt den von den Solarzellen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, mit dem Haushaltsgeräte und andere elektrische Verbraucher betrieben werden können. Der Wechselrichter hat in der Regel eine begrenzte Lebensdauer von etwa 10 bis 15 Jahren und muss unter Umständen ausgetauscht werden.

Was kostet die Installation von kristallinen Solarzellen und wie viel Geld kann man damit sparen?

Im Allgemeinen haben kristalline Solarzellen höhere Installationskosten als andere Solarzellentechnologien wie Dünnschichtsolarzellen oder konzentrierende Solarzellen. Der Grund dafür ist, dass kristalline Solarzellen ein aufwendigeres Herstellungsverfahren erfordern und aus teureren Materialien bestehen als Dünnschichtsolarzellen. Die Kosten für eine durchschnittliche Solaranlage mit kristallinen Solarzellen können je nach Größe und Komplexität der Anlage zwischen 5.000 und 20.000 Euro liegen.

Obwohl die Installationskosten höher sind, kann der Einsatz von kristallinen Solarzellen langfristig zu erheblichen Einsparungen bei den Energiekosten führen. Die Höhe der Einsparungen hängt jedoch von vielen Faktoren ab, wie der Größe der Solaranlage, dem Energiebedarf des Haushalts oder Unternehmens, den örtlichen Strompreisen, der Verfügbarkeit von nationalen oder regionalen Förderprogrammen und anderen Faktoren.

In der Regel können Hausbesitzer und Unternehmen, die eine Solaranlage installieren, ihre Stromrechnung erheblich senken oder sogar auf Null reduzieren, wenn die Solaranlage genügend Strom produziert. Die Einsparungen hängen jedoch von der Größe der Solaranlage und dem Energiebedarf des Haushalts oder Unternehmens ab. In einigen Ländern gibt es auch Einspeisevergütungen, die den Preis für den von der Solaranlage produzierten Strom und damit die Ersparnis erhöhen können.

Fazit

Kristalline Solarzellen sind die am weitesten verbreitete Technologie zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität. Sie bestehen aus Siliziumkristallen, die in dünnen Schichten übereinander gestapelt sind. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden im Siliziumkristall Elektronen freigesetzt, die sich durch den elektrischen Stromkreis der Solarzelle bewegen und elektrischen Strom erzeugen. Kristalline Solarzellen werden im Allgemeinen in zwei Arten unterteilt: monokristalline und polykristalline Solarzellen. Monokristalline Solarzellen haben in der Regel einen höheren Wirkungsgrad als polykristalline Solarzellen, sind aber auch teurer in der Herstellung. Kristalline Solarzellen sind eine bewährte und zuverlässige Technologie zur Erzeugung von Solarenergie und spielen eine wichtige Rolle bei der Umstellung auf erneuerbare Energien.

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