Wie funktioniert Photovoltaik?

Die Photovoltaik (PV) ist eine faszinierende Technologie, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt – ohne bewegliche Teile, ohne Lärm, ohne Abgase. In diesem Artikel erklären wir die physikalischen Grundlagen verständlich und anschaulich, von der Quantenphysik bis zur fertigen Solaranlage.

Der photoelektrische Effekt

Die Grundlage jeder Solarzelle ist der photoelektrische Effekt, den Albert Einstein 1905 erklärte. Diese bahnbrechende Arbeit brachte ihm 1921 den Nobelpreis für Physik ein – nicht etwa die Relativitätstheorie.

Was passiert auf atomarer Ebene?

Sonnenlicht besteht aus winzigen Energiepaketen, den Photonen. Wenn ein Photon auf bestimmte Materialien trifft, kann es seine Energie an ein Elektron übertragen. Ist diese Energie groß genug, wird das Elektron aus seiner Bindung im Material gelöst und kann sich frei bewegen.

Animation: Vom Photon zum Strom

Schauen Sie sich an, wie ein Photon Strom erzeugt. Die Animation zeigt den Prozess Schritt für Schritt:

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Photon trifft auf

Ein Photon aus dem Sonnenlicht trifft auf die Oberfläche der Solarzelle.

Animation: Vom Photon zum elektrischen Strom in 5 Schritten

Detaillierte Solarzellen-Animation

Die folgende Animation zeigt den gesamten Aufbau einer Silizium-Solarzelle – vom Kristallgitter über die Antireflexschicht bis zum externen Stromkreis. Starten Sie die Animation, um den Prozess der Stromerzeugung Schritt für Schritt zu verfolgen.

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Sonnenlicht trifft ein

Photonen aus dem Sonnenlicht treffen auf die Antireflexschicht der Solarzelle und dringen in das Silizium-Kristallgitter ein.

Interaktive Animation: Vom Sonnenlicht zum elektrischen Strom in 5 Schritten

Die 5 Schritte der Stromerzeugung

1. Photon trifft auf die Zelle: Sonnenlicht erreicht die Oberfläche der Solarzelle
2. Absorption im Halbleiter: Das Photon gibt seine Energie an ein Elektron ab
3. Elektronenanregung: Das Elektron wird vom Valenzband ins Leitungsband angehoben
4. Ladungstrennung am p-n-Übergang: Das elektrische Feld trennt Elektron und “Loch”
5. Stromfluss im Stromkreis: Elektronen fließen durch den externen Verbraucher

Aufbau einer Solarzelle

Eine kristalline Silizium-Solarzelle besteht aus mehreren präzise aufgebauten Schichten. Klicken Sie auf die einzelnen Schichten, um mehr zu erfahren:

Antireflexschicht

n-dotierte Schicht

p-n-Übergang

p-dotierte Schicht

Rückseitenkontakt

Klicken Sie auf eine Schicht für mehr Informationen

Die wichtigsten Komponenten

Schicht	Funktion	Material
Antireflexschicht	Minimiert Reflexion, erhöht Lichtaufnahme	Siliziumnitrid (Si₃N₄)
n-dotierte Schicht	Elektronenüberschuss, negative Ladungsträger	Silizium + Phosphor
p-n-Übergang	Erzeugt elektrisches Feld, trennt Ladungen	Grenzschicht
p-dotierte Schicht	Löcherüberschuss, positive Ladungsträger	Silizium + Bor
Rückseitenkontakt	Stromableitung und Lichtreflexion	Aluminium

Halbleiterphysik: Die Bandlücke

Das Geheimnis der Solarzelle liegt in den besonderen Eigenschaften von Halbleitern wie Silizium. Im Gegensatz zu Metallen (leiten gut) und Isolatoren (leiten nicht) können Halbleiter ihre Leitfähigkeit ändern.

Was ist die Bandlücke?

In jedem Festkörper können Elektronen nur bestimmte Energiezustände einnehmen. Diese bilden sogenannte “Bänder”:

• Valenzband: Hier sitzen die gebundenen Elektronen (voll besetzt)
• Leitungsband: Hier können sich freie Elektronen bewegen (normalerweise leer)
• Bandlücke (Eg): Der “verbotene” Energiebereich dazwischen

Silizium (Si)Galliumarsenid (GaAs)Cadmiumtellurid (CdTe)Perowskit

Photonenenergie1.50 eV

InfrarotSichtbarUV

Modultemperatur25°C

-10°C (Winter)25°C (STC)80°C (Sommer)

Was bedeutet die Bandlücke?

Die Bandlücke (Eg) ist der Energieunterschied zwischen Valenzband und Leitungsband. Ein Photon muss mindestens diese Energie haben, um ein Elektron anzuregen.

• Zu kleine Bandlücke: Infrarotlicht kann genutzt werden, aber viel Energie geht als Wärme verloren.
• Zu große Bandlücke: Nur energiereiches Licht wird genutzt, rote Photonen gehen verloren.
• Optimal: ~1,3 eV für Single-Junction-Zellen (Shockley-Queisser-Limit).

Temperatureffekt: Bei 25°C hat Silizium (Si) einen Temperaturkoeffizienten von -0.45%/°C. Höhere Temperaturen verringern die Effizienz leicht.

Material	Bandlücke (eV)	Temp.-Koeff.
Silizium (Si)	1.12	-0.45%/°C
Galliumarsenid (GaAs)	1.42	-0.35%/°C
Cadmiumtellurid (CdTe)	1.45	-0.25%/°C
Perowskit	1.55	-0.2%/°C

Warum ist die Bandlücke wichtig?

Die Größe der Bandlücke bestimmt:

1. Welches Licht genutzt werden kann: Photonen brauchen mindestens die Bandlücken-Energie
2. Wie viel Energie verloren geht: Überschüssige Energie wird zu Wärme
3. Den theoretischen Maximalwirkungsgrad: Das Shockley-Queisser-Limit (~33% für 1,34 eV)

Der p-n-Übergang

Der p-n-Übergang ist das Herzstück der Solarzelle. Er entsteht, wenn man zwei unterschiedlich “dotierte” Halbleiterschichten zusammenbringt.

Dotierung – was ist das?

Reines Silizium leitet Strom nur schlecht. Durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen ändert sich das:

Vergleich der Halbleiter-Dotierungen

Dotierung	Fremdatom	Wirkung	Ladungsträger
n-Dotierung	Phosphor (5 Valenzelektronen)	Überschuss an Elektronen	Elektronen (negativ)
p-Dotierung	Bor (3 Valenzelektronen)	Überschuss an "Löchern"	Löcher (positiv)

Wie erzeugt der p-n-Übergang Strom?

1. An der Grenzschicht diffundieren Elektronen von n zu p und Löcher von p zu n
2. Es entsteht eine Raumladungszone mit einem elektrischen Feld
3. Dieses Feld trennt die durch Licht erzeugten Elektron-Loch-Paare
4. Die Trennung erzeugt eine Spannung – die Leerlaufspannung der Zelle

Von der Zelle zur Anlage

Eine einzelne Silizium-Solarzelle erzeugt etwa 0,5-0,7 Volt bei maximaler Sonneneinstrahlung. Um nutzbare Spannungen zu erreichen, werden viele Zellen kombiniert:

Einzelzelle0,6 V

String (60 Zellen)36 V

Modul40 V

String (10 Module)400 V

Typische Anlagengrößen

Anlagentyp	Leistung	Fläche	Jahresertrag
Balkonkraftwerk	300-800 Wp	1-2 m²	250-800 kWh
Einfamilienhaus	5-10 kWp	25-50 m²	4.500-10.000 kWh
Mehrfamilienhaus	15-30 kWp	75-150 m²	13.500-30.000 kWh
Gewerbedach	50-500 kWp	250-2.500 m²	45.000-500.000 kWh

Wirkungsgrad und Verluste

Nicht alle Sonnenenergie kann in Strom umgewandelt werden. Der theoretische Maximalwirkungsgrad (Shockley-Queisser-Limit) liegt bei etwa 33% für Single-Junction-Zellen.

Wohin geht die restliche Energie?

• Elektrische Energie20
• Photonen mit zu wenig Energie25
• Überschussenergie → Wärme35
• Reflexion4
• Rekombination10
• Sonstige Verluste6

Häufige Fragen zur Solarphysik

Warum sind Solarzellen meist blau oder schwarz?

Die blaue Farbe entsteht durch die Antireflexbeschichtung (Siliziumnitrid), die optimiert ist, um möglichst viel Licht einzufangen. Schwarze oder dunkelgraue Zellen verwenden eine dickere Beschichtung oder spezielle Oberflächentexturen für noch weniger Reflexion. Monokristalline Zellen erscheinen oft schwarz, polykristalline eher bläulich.

Funktionieren Solarzellen auch bei bewölktem Himmel?

Ja! Solarzellen nutzen auch diffuses (gestreutes) Licht. Bei Bewölkung erreichen sie typischerweise 10-30% ihrer Maximalleistung. Selbst bei dichter Wolkendecke wird noch Strom erzeugt – nur deutlich weniger als bei direkter Sonneneinstrahlung.

Warum können Solarzellen nicht 100% des Lichts nutzen?

Das liegt an physikalischen Grenzen:

• Photonen mit zu wenig Energie (Infrarot): Können kein Elektron anregen
• Photonen mit zu viel Energie (UV): Die Überschussenergie wird zu Wärme
• Rekombination: Manche Elektron-Loch-Paare vereinigen sich wieder
• Reflexion und Absorption: An Glas, Kontakten und Oberflächen

Diese Verluste sind fundamental und können nicht vollständig eliminiert werden.

Was sind Tandem-Solarzellen?

Tandem-Zellen stapeln mehrere Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken übereinander. Die obere Schicht fängt energiereiche (blaue) Photonen, die untere energieärmere (rote). So können mehr Photonen effizient genutzt werden. Tandem-Zellen erreichen im Labor bereits über 47% Wirkungsgrad!

Wie lange dauert die energetische Amortisation?

Die Energie, die zur Herstellung einer Solarzelle benötigt wird, hat die Zelle nach etwa 1-2 Jahren wieder “eingespielt”. Bei einer Lebensdauer von 25-30+ Jahren produziert sie also 15-30 mal mehr Energie, als für ihre Herstellung nötig war. Das ist eine hervorragende Energiebilanz!

Gibt es einen Unterschied zwischen Solarzelle und Solarpanel?

Ja:

• Solarzelle: Eine einzelne Einheit (ca. 15×15 cm), erzeugt 0,5-0,7 V
• Solarmodul/-panel: Mehrere Zellen (z.B. 60 oder 72) verbunden und eingerahmt
• PV-Anlage: Mehrere Module plus Wechselrichter und Verkabelung

Der Begriff “Solarpanel” wird umgangssprachlich oft für das gesamte Modul verwendet.

Fazit

Die Photovoltaik nutzt den photoelektrischen Effekt, um Sonnenlicht direkt in Strom umzuwandeln. Die wichtigsten Konzepte sind:

• Photonen übertragen ihre Energie auf Elektronen
• Die Bandlücke des Halbleiters bestimmt, welches Licht genutzt werden kann
• Der p-n-Übergang trennt die Ladungsträger und erzeugt Spannung
• Der theoretische Maximalwirkungsgrad liegt bei ~33% (Single-Junction)
• Moderne kristalline Siliziumzellen erreichen 20-24% Wirkungsgrad

Die Technologie ist ausgereift, zuverlässig und wird kontinuierlich verbessert. Mit neuen Materialien wie Perowskiten und Tandem-Konzepten sind noch höhere Wirkungsgrade möglich.

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Weiterführende Artikel:

• Wirkungsgrad verschiedener Modultypen im Vergleich
• Solarmodule: Mono- vs. Polykristallin vs. Dünnschicht
• Wie funktioniert ein Wechselrichter?
• Was beeinflusst den Ertrag einer PV-Anlage?