Solarzellen sind elektrische Bauelemente, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandeln. Grundlage ist der photovoltaische Effekt an einem Übergang vom positiv zum negativ dotierten Bereich eines halbleitenden Materials. Das Wort Photovoltaik (PV) steht für den Einsatz von Solarzellen zur Elektroenergiegewinnung.
Undotiertes Halbleitermaterial wie Silizium hat keine freien Ladungsträger. Durch den Einbau einer sehr geringen Konzentration (Dotierung) von fünfwertigen Atomen (wie Arsen) in vierwertiges Siliziummaterial kommt es zu einer geringen Konzentration von Elektronen im Leitfähigkeitsband. Beim Einbau von dreiwertigen Atomen (wie Aluminium) ergeben sich Elektronenfehlstellen (Löcher) im Valenzband. Ersteres Material ist negativ leitend (n-Typ), letzteres positiv leitend (p-Typ). Die beweglichen Ladungen werden im dotierten Material durch ortsfeste positive bzw. negative Ladungen kompensiert.
Durch Aneinanderreihung von metallischem Kontakt, n‑Typ‑Halbleiter, p-Typ-Halbleiter, metallischem Kontakt entsteht eine Halbleiterdiode. In der Grenzschicht (p-n-junction) zwischen n- und p‑leitendem Material löschen sich die beweglichen Ladungsträger (in der Abbildung in Kreisen gezeichnet) gegenseitig aus, während die ortsfesten Ladungen (negative im p-leitenden und positive im n-leitenden Material) erhalten bleiben. Sie erzeugen in der an Ladungsträgern verarmten Grenzschicht einen Potenzialwall, der das Nachfließen weiterer beweglicher Ladungsträger verhindert und die Dicke der Grenzschicht auf weniger als 1 µm begrenzt.
Eine Solarzelle ist so dünn, dass das Sonnenlicht bis zur Grenzschicht durchdringt. Dort wird durch den inneren Photoeffekt die Lichtenergie in ein bewegliches Elektron und ein bewegliches Loch umgewandelt. Einigen der Elektronen gelingt es, aus der Grenzschicht in den n-leitenden Bereich vorzudringen und einige Löcher schaffen es, in den p-leitenden Bereich zu kommen. Leider rekombiniert die Mehrheit der Ladungsträgerpaare in der Grenzschicht und begrenzt dadurch den Wirkungsgrad von Solarzellen auf weniger als 25 %. Sind die Ladungsträger jedoch aus der Grenzschicht herausgekommen, verhindert der Potenzialwall eine Rückkehr. Falls die Beläge der n- und der p-leitenden Schicht durch einen Draht verbunden sind, vereinen sich diese Ladungsträger nur "hintenherum" über den Stromverbraucher, da der Widerstand der Schicht, des Drahtes und selbst eines Verbrauchers kleiner ist als der der Grenzschicht. Die von einer einzelnen Solarzelle erzeugte Spannung liegt bei etwa einem Volt. Eine Reihenschaltung der Zellen ergibt eine höhere Systemspannung, die aus Sicherheitsgründen derzeit auf 1 kV begrenzt ist. Für die Umformung in Wechselstrom und die Erzeugung größere Spannungen werden Wechselrichter verwendet.
PV-Anlage wurden zuerst aus CdTe-Dünnschicht-Modulen errichtet. Das sind II-VI-Halbleiter, die neben III-V-Halbleitern (GaAs) und vor allem vierwertigen Halbleitern wie Si oder Ge verwendet werden. Die römischen Zahlen II, III, V und VI bezeichnen die Wertigkeit von je einer Komponente des Materials. In der Cd-Te-Kombination lassen sich die Module großtechnisch günstig herstellen. Höhere Wirkungsgrade werden bei GaAs-Zellen erreicht. Si-Materialien unterteilt man bei dickeren Schichten in monokristallin (höherer Wirkungsgrad) und polykristallin (besseres Preis-Leistungs-Verhältnis).
Das Bild rechts stellt einen polykrystallinen Waver mit etwa 10 cm Kantenlänge dar. Als "Dickschicht" bezeichnete Si-Waver sind etwa 250 µm dick. Dünnschicht-Zellen aus kristallinem oder polykristallinem Material haben eine Dicke in der Größenordnung von 10 µm. Auf Kupfer, Indium, Gallium und Diselenid basiert die CIGS-Solarzelle, die aus einer polykristallinen 1-2 µm dicken Schicht besteht. Im Dezember 2022 wurde in Laborversuchen mit einem Tieftemperatur-Produktionsprozesses ein Wirkungsgrad von 19,8 % für die Vorderseite und 10,9 % für die Rückseite erreicht, was insgesamt 30,7 % entspricht. Technisch gefertigte Module liegen bei 20,4 % und darunter, siehe englische Version von Wikipedia, und haben wegen der hohen Kosten für Indium einen geringen Marktanteil.
Als noch billigere und einfacher herstellbare Solarzellen werden solche aus organischen Halbleitern angesehen. Vorteile sind einfache Montage und flexible Verwendung, Nachteile sind geringerer Wirkungsgrad und geringere Lebensdauer.
Für Polymere und Silizium sind keine Materialengpässe zu erwarten. Schwieriger wird es in Zukunft mit der Verfügbarkeit von Indium, Gallium, Tellur und Selen. Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der Solarzellen können auf Wikipedia verfolgt werden.
Stärker noch als die Leistungsfähigkeit der Solarzellen haben sich die installierten Leistungen neuer Photovoltaik-Freiflächenanlagen entwickelt. Die im Jahre 2024 weltgrößte Photovoltaik-Einzelanlage ist der 133 km2 große Gonghe Talatan Solar Park in China. Er hat eine Kapazität von 3,5 GW und erzeugt jährlich 6000 GWh Elektrizität. Dagegen ist Deutschlands im Jahre 2024 größter Solarpark in Witznitz nur 5 km2 groß, hat 0,6 GW Kapazität, erzeugt jährlich 600 GWh und ist dementsprechend auf der Liste der weltgrößten Solarparks erst im unteren Teil zu finden. Ende 2023 waren in PV-Anlagen weltweit 1419 GW Nennleistung installiert, davon 610 GW in China, siehe Statistical Review of World Energy. Weltweit deckten sie aber nur 2 % des Strombedarfs. Im Jahre 1924, im 1. Halbjahr, waren in Deutschland 90,4 GW installiert, und es kamen 14,9 % der öffentlichen Nettostromerzeugung aus Solaranlagen, siehe Wikipedia.
Mehrere Kriterien werden angewendet, um die Einsatzmöglichkeiten von PV-Anlagen zu beurteilen. Die Einschätzung der wirtschaftlichen Amortisierung wird dadurch erschwert, dass keine genauen Voraussagen über staatliche Subventionen der PV-Stromerzeugung und die Entwicklung der Strompreise möglich sind. Ein genauer messbarer Parameter ist die energetische Amortisationszeit. Das ist die Zahl von Jahren, in der die PV-Anlage die Energie in Kilowattstunden erzeugt, die für die Herstellung der Anlage aufgewandt wurde. Dünnschichtmodul-Anlagen können sich schon nach etwa 2-3 Jahren amortisieren. Anlagen mit polykristallinen Zellen benötigen 3-5 Jahre und solche mit monokristallinen Zellen 4-6 Jahre. Dazu muss die Sonne reichlich scheinen. In Berlin ist jedoch mit den doppelten Zeiten zu rechnen. Erst wenn die berechneten Zeiten die veranschlagte Lebensdauer von etwa 20 Jahren überschreiten, wird die Bilanz negativ.
Viele Neuheiten und Details der Photovoltaik findet man auf dem Solarserver.
