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Solarzelle: Sind Solarzellen, PV Module und Solarpanel alle das Gleiche?

Eine Solarzelle ist die kleinste Einheit einer Solaranlage oder noch genauer gesagt, einer Photovoltaikanlage. Eine Photovoltaikanlage, kurz PV Anlage besteht in der Regel aus zwei Komponenten: Solarmodule und Wechselrichter. Solarzellen sind die Grundeinheit einer Solarmodule.

Gerade da ist es wichtig, diesen Prozess zu verstehen, um Fragen wie diese zu beantworten: Ist eine Solarzelle auch ein Solarpanel? Sind sie alle Solar Module? Gibt es Unterschiede zwischen Solar Modulen und PV Modulen? Sind sie auch alle Photovoltaikanlagen oder Solaranlagen?

In diesem Beitrag will ich Dir über Sozarzellen etwas erzählen: Was Solarzellen sind, wie sie funktionieren, was für Arten von Solarzellen gibt es und wie sie mit PV Modulen, Solarpanel, PV Anlagen und Solaranlagen zusammenhängen.

Für diejenigen, die wenig Zeit haben, haben wir wie immer eine Zusammenfassung:

Solarzelle: Auf einen Blick alles verstehen

  1. Die Solarzelle verwandelt Sonnenstrahl in Strom.
  2. Es gibt 3 verschiedene Solarzellen Arten: Monokristallin, Polykristallin (auch Multikristallin) und Dünnschicht.
  3. Ein Solar Modul ist eine Zusammensetzung von Solarzellen. Das benötigt man, weil der Strom, der durch Solarzellen entsteht, sehr gering ist. Nur wenn sie zusammengesetzt werden, kann man die Strommenge verwenden.
  4. Zusammengesetzte Solarzellen heißen PV Module, sie können aber auch Solarpanel sein.
  5. Ein Solarpanel ist ein standardisiert zusammengesetzte Solarzellen, das für Standard Anwendung gedacht ist. Während ein Solarmodul individueller ist und für mehr Systeme eingesetzt werden kann. In der Regel hat ein Solarpanel mehr Solarzellen als ein Solarmodul.
  6. Allein aus den Solar Modulen / PV Modulen entsteht nur Strom, der zwar gespeichert werden kann, aber nicht direkt verwendbar ist, weil der Strom Gleichstrom ist.
  7. Darum braucht man noch einen Wechselrichter, der den Gleichstrom zum Wechselstrom verwandelt.
  8. Das zusammen bildet eine Photovoltaikanlage, alternativ kann noch Stromspeicher hinzugefügt werden. Photovoltaikanlagen und PV Anlagen sind das gleiche.
  9. Eine Solaranlage kann ein Photovoltaikanlage sein, aber auch eine solarthermische Anlage sein: Eine Anlage, die ausschließlich die Wärme der Solarenergie benutzt, statt die PV Strahlung. Daher ist eine PV Anlage IMMER eine Solaranlage, aber andersrum nicht unbedingt.

Wenn Du außerdem verstehen willst, wie der Strom entsteht, was der Wirkungsgrad ist und was ein „WP“ bei Solar ist etc., würde ich Dir sehr empfehlen, den Artikel zu Ende zu lesen.

Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle ist ein Stück Halbleiterdiode (Halbleiterapparat), sie verwandelt die Strahlenenergie aus der Sonne in Strom. Man nennt diesen Prozess, die Sonne in Strom zu verwandeln, Photoeffekt (Wikipedia Link siehe unten).

Um diesen Prozess zu ermöglichen, müssen die Solarzellen ein elektrisches Feld aufbauen. Ähnlich wie ein Magnetfeld, das durch entgegengesetzte Pole entsteht, entsteht ein elektrisches Feld, wenn entgegengesetzte Ladungen getrennt werden. Im Grunde genommen ist eine Solarzelle ein Sandwich aus zwei verschiedenen Siliziumschichten, die speziell behandelt (dotiert) wurden, damit sie auf eine bestimmte Weise von Elektrizität durchflossen werden. Um dieses elektrische Feld zu erschließen, behandeln (dotieren) Hersteller Silizium mit anderen Materialien und geben jeder Scheibe des Sandwiches eine positive oder negative elektrische Ladung.

Die untere Schicht ist so dotiert, so dass sie etwas zu wenig Elektronen enthält. Es heißt P-Typ oder Positiv-Typ Silizium (weil Elektronen negativ geladen sind und diese Schicht zu wenig davon hat). Die obere Schicht ist in entgegengesetzter Richtung dotiert, um etwas zu viele Elektronen zu erzeugen. Es heißt n-Typ oder Negativ-Typ Silizium.

Was passiert in der Solarzelle?

Wenn wir eine Schicht aus Silizium vom n-Typ auf eine Schicht aus Silizium vom p-Typ legen, entsteht eine Barriere an der Verbindungsstelle der beiden Materialien. Keine Elektronen können die Barriere passieren. Selbst wenn wir dieses Silikonsandwich mit einer Taschenlampe verbinden, fließt kein Strom: Die Glühbirne leuchtet nicht auf.

So wie die Zellen in einer Batterie sind die Solarzellen zur Stromerzeugung ausgelegt. Wo jedoch die Zellen einer Batterie aus Chemikalien Strom erzeugen, erzeugen die Solarzellen Strom, indem sie stattdessen Sonnenlicht einfangen. Darum benötigen wir hier noch Licht, um Strom zu erzeugen.

Wir können uns Licht als winzige Teilchen vorstellen, die Photonen genannt werden. Wenn Photonen in unser Sandwich eindringen, geben sie ihre Energie an die Atome im Silizium ab. Die einfallende Energie stößt Elektronen aus der unteren Schicht vom P-Typ heraus, sodass sie über die Barriere zur darüber liegenden Schicht vom N-Typ springen und um den Stromkreis herum fließen. Je mehr Licht scheint, desto mehr Elektronen springen auf und desto mehr Strom fließt. Je mehr Licht scheint, desto mehr Elektronen springen auf und desto mehr Strom fließt.

Ein Sonnenstrahl ist also wie ein leuchtend gelber Feuerwehrschlauch, der Billionen auf Billionen Photonen schießt. Wenn Du eine Solarzelle in ihren Weg steckst, fängt sie diese energetischen Photonen ein und wandelt sie in einen Elektronenfluss um – einen elektrischen Strom.

Jede Zelle erzeugt ein paar Volt Strom. Deshalb benötigen wir Solar Module, denn diese kombinieren die von vielen Zellen erzeugte Energie, um eine nützliche Menge an elektrischem Strom und elektrischer Spannung zu erzeugen. Das ist es, was wir unter Photovoltaik verstehen: Ein Licht machende Voltzahl / Spannung.

Was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt das Verhältnis von Energie, die verwandelt werden sollte, zu Energie, die zum Schluss entstanden / verwandelt wurde. Schließlich wollen wir Energie, die zur Verfügung steht (Sonnenstrahl), mit der Solarzelle zum Strom verwandeln.

Wenn wir etwas noch an unserem Physik Unterricht erinnern (Energieerhaltungsgesetz), wissen wir, dass Energie nicht von alleine entstehen oder verschwinden kann, sondern sie kann nur von einer Form zur anderen verwandelt werden.

In diesem Prozess geht leider sehr viel Energie verloren. Die Gründer dafür sind sehr vielschichtig. Wie viel es am Ende bleibt, ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle.

Der aktuelle Wirkungsgrad verschiedener Solarzellen sehen wie folgt aus:

  • Monokristallin: 18 – 22%
  • Polykristallin: 15 – 20%
  • Dünnschicht: 5 – 10%

Du solltest aber darauf achten, dass nicht nur der Wirkungsgrad wichtig ist, auch Produktgarantie sowie Leistungsgarantie sind viel wichtiger bei der Kaufentscheidung. Eine Produktgarantie sollte mindestens 10 Jahre betragen. Eine Leistungsgarantie sollte eine Garantiezeit bis zu 25 Jahre umfassen. In den ersten 10 Jahre sollen die Leistung üblicherweise bei bis mindestens 90% lieben, danach bis 80%.

Du solltest auch noch schauen, dass eine Leistungsgarantie nur die Leistung der Solar Modulen garantiert, jedoch nicht für den Fall, dass sie kaputt gehen. Darum sind beide Garantien so wichtig.

Was ist WP bei Solar

WP oder kWp sind beide sehr häufige Begriffe bei Solar, sie stehen für „Watt Peak“ oder „Kilowatt Peak“. Sie beschreiben die Kapazität einer Solaranlage. Dies ist die maximale elektrische Kapazität, die eine Solarzelle unter den besten Umständen liefern kann. Deshalb „Peak“ (Spitze). Diese Kapazität wird auch als „Nennleistung“ genannt. Die Nennleistung der einzelnen Solarmodule, aus denen die Anlage besteht, wird in der kleineren Einheit Wp (Watt peak) definiert. (Einheitsdefinition: 1 kWp = 1.000 Wp)

Aber gerade weil die Nennleistung nur unter den idealen Voraussetzungen laufen kann, kann man in normalen Bedingungen selten diese „Spitze“ erreichen.
Trotzdem hilft es, eine Nennleistung mit der Einheit WP oder kWp zu beschreiben, um die Erträge der Module vergleichen zu können.

Wie viele Arten von Solarzellen gibt es? Wie werden sie aufgebaut?

Es gibt 3 verschiedene Solarzellen: Monokristalin, Polykristalin (Multikristalin) und Dünnschicht. Da sie nie alleine als Solarzellen existieren, (weil Solarzellen viel zu wenig Strom produziert und diese immer zusammengesetzt als PV Module oder Solarpanel verwendet), spricht man auch oft von Monokristalline (und so weiter) PV Modulen.
Wenn man das Ganze vereinfachen will, kann man als Privatverbraucher oder kleine GewerberbetreiberInnen Dünnschicht Solarzellen / PV Modulen einfach weglassen, weil sie für viel größere Fläche gedacht sind und deutlich weniger Wirkungsgrad hat.

Als Privatverbraucher ist es außerdem auch gar nicht so wichtig, ob das Monokristallin oder Polykristallin sind. Solange sie einen normalen Wirkungsgrad haben, und sowohl eine lange Leistungsgarantie, als auch eine lange Produktgarantie haben, kann man die Produkte schon kaufen. Hier sind die Garantien und Hersteller deutlich wichtiger als das Material an sich.

Monokristallin und Polykristallin Solar Panel dominieren momentan den Markt: Sie haben einen Marktanteil von 80%.

Monokristallin Solarzellen

Monokristalline sind an ihrer dunkelschwarzen Farbe leicht zu erkennen. Sie sind auch die reinsten Solarzellen mit über 99,9999% Silizium. Die Herstellung, um Monokristallin Solarzellen zu gewinnen, ist das Aufwändigste. Man kann den Prozess so etwa vorstellen, dass unreines, oft auch Polykristallin Silizium geschmolzen und gereinigt wird. Wer schon mal gesehen hat, wie man ein Kristall züchtet, kann diesen Prozess leicht nachvollziehen.

In diesem heißen Pool, gefühlt von Silizium, taucht man einen Kristall Samen ein. Das Silizium wird aus der Flüssigkeit gezogen und bildet um diesen Samen herum eine Zylinder. Nachdem das eine gewisse Volumen erreicht hat, zieht man dann das Silizium höher und danach bildet sich wieder neues schicht. Das Silizium wird zum Schluss ein langer Zylinder. Da sie ein einziges Kristall ist, nennt man ihn „Monokristall“ oder „Einkrisall“.

Dieser Zylinder wird dann geschliffen. Dann schneidet man diesen Zylinder in sehr dünnen Scheiben, diese Scheiben nennt man „Wafer“. Ein typischer Wafer ist quadratisch, jedoch an allen Ecken wird ein Stück abgeschnitten bzw. abgeschliffen. Ein einzelner Wafer ist schon eine eigene Solarzelle (nachdem man noch dotiert hat. Aber wir müssen nicht mehr zu viel in die Details einsteigen). Diese Solarzellen bindet man zusammen zu einem Solar Modul. Da diese Solar Module oder die Solarzellen aus einem einzigen Kristalline-Zylinder geschnitten und verbunden werden, heißen sie „Mono-Kristalline“ Solarzellen oder Solarmodule.

Monikristalline Solarzelle
So sieht ein Monokristallin Solar Module aus. Jede Scheibe (Wafer) ist zwar quadratisch, aber alle haben runden Kanten.
Monokristalline Solarmodule
Hier kann man noch im ganzen sehen, wie Monokristallin Solarmodule aussehen.

Vorteile von Monokristallin Solarzellen / Solar Modulen:

  • Höherer Wirkungsgrad: Dieser aufwändige Prozess bietet mehr Reinheit des Siliziums und kann die Sonneneinstrahlung besser ausnutzen. Ein Monokristalline Solarzelle / Solar Modul bietet deshalb auch höhere Effizienz wegen ihrer höheren Reinheit. Sie können einen Wirkungsgrad von 18 – 22% erreichen.
  • Kleinere Fläche nötig: Weil sie effizienter sind, braucht man auch weniger Fläche für die Installation. Für Reihenhaus Besitzer z.B. könnten die Monokristalline Solar Modulen genau die geringere Dachfläche effizient nutzen, wenn sie sonst mit Polykristalline Solar Modulen die benötigte Leistung nicht bekommen könnten.
  • Höhere Lebensdauer: Man kann eine lange Lebensdauer von Monokristallin Solar Modulen erwarten. Sie schaffen meistens, noch nach 30 Jahren gut zu funktionieren. Darum bieten viele Hersteller eine Produktgarantie von 25 bis 30 Jahren.

Nachteile von Monokristallin Solarzellen / Solar Modulen:

  • Größerer Energiebedarf bei der Herstellung: Monokristalline Solar Module brauchen deutlich mehr Energie wegen des aufwändigen Herstellungsprozesses, nämlich 30% mehr.
  • Höhere Kosten: Deshalb sind sie in der Regel auch teurer als die Polykristallin Solarzellen / Solar Module (die ich gleich noch erklären werde).
  • Mehr Verschwendung bei der Herstellung

Polykristallin Solarzellen:

Polykristalline sind streng genommen viele ganz kleine Monokristalline, die zusammengewachsen sind. Die Herstellung von Polykristalline Solarzellen / Solar Modulen ist deshalb zwar etwas anders, aber nicht weit entfernt von Monokristalline Solarzellen. Es gibt viele verschiedene Verfahren, um Polykristalline zu gewinnen. Damit es nicht zu überfordernd ist, nenne ich nur eine der vielen Herstellungsmöglichkeiten. Silizium wird ebenfalls geschmolzen und gereinigt. Nur dieses Mal, anstatt dass man einen Kristall Samen in den Pool taucht und Kristall so züchtet, gießt man die ganze Flüssigkeit in einem Gefäß und wartet, dass das Silizium abkühlt und in diesem Prozess verhärtet und dabei ebenfalls ein großes Kristall bildet. Dieses Kristall bildet sich von unten nach oben.

Danach sägt man das Kristall in Blöcke und danach ebenfalls in dünnen Scheiben, diese Scheiben sind auch „Wafer“. Sie werden, genau so wie die Monokristalline Solarzellen, ebenfalls zuerst dotiert und miteinander verbunden und zu einzelne Solar Modulen verarbeitet. Nur, dadurch, dass sie vorher kein Zylinder waren, werden sie nicht in Zylinderform abgeschliffen, sondern sie sind ganz quadratisch mit scharfen Kanten. Deshalb sehen die Module auch etwas anders aus. Daran kann man erkennen, dass es sich um Polykristalline Solarzellen / Solar Modulen handelt.

Polykristalline Solarzellen
Hier kann man am besten erkennen, dass die Wafer (Scheiben) gerade Kanten haben. Das ist ein Polykristalline Solar Modul
Polykristallin Solar Module
Hier ein ganzes Bild, um die Struktur noch besser zu erkennen.

Vorteile von Polykristallin Solarzellen / Solar Modulen:

  • Einfachere Herstellungsprozess: Es verbraucht deutlich weniger Energie und Aufwand, um Polykristallin Solar Module herzustellen.
  • Weniger Verschwendung: Es werden deutlich weniger Rohstoffe verschwendet, um Polykristallin zu gewinnen.
  • Niedrigere Kosten: Durch die beiden genannten Faktoren sind die Preise von Polykristallin Solar Module auch günstiger.
  • Zwar nicht der höchste, aber immer noch guter Wirkungsgrad: Mit 15 – 20% sind sie zwar nicht die effizienteste, sind jedoch trotzdem ganz gute Solar Module, die ausreichend Energie produzieren.
  • Gutes Preis-Leistungsverhältnis: Der Preis und Wirkungsgrad passt deutlich besser für die Nutzung. Daher besitzt auch Polykristallin Solar Module momentan 80% der Marktanteile.
  • Auch Polykristallin Solar Module haben eine lange Lebensdauer. Sie schaffen heute ebenfalls 30 Jahre gut zu funktionieren.

Nachteile von Polykristallin Solarzellen / Solar Modulen:

  • Niederigerer Wirkungsgrad: wie bereits erwähnt, sind sie nicht so leistungsfähig wie Monokristallin Solar Module.
  • Mehr Flächenverbrauch: Logischerweise benötigen Polykristalline Solar Module mehr Flächen, ein größeres Dach ist nötig.

Dünnschicht Solarzellen:

Der Name „Dünnschicht“ verrät, dass diese Solarzellen auf etwas beschichtet wird. Man verwendet ein Trägermaterial, oft einfaches Glas, und beschichtet es mit Halbleiterwerkstoff (amorphes Silizium). Da dieser Prozess deutlich einfacher ist als die Kristallin Solarzellen und Solar Module, sind die Herstellungskosten auch deutlich günstiger.

Gerade deshalb sind die Module auch deutlich weniger effizient. Der Wirkungsgrad beträgt 5 – 10% und sind für kleinere Flächen wie Einfamilienhäuser oder kleinere Gewerbe uninteressant. Darum führe ich hier auch nicht mehr weiter, weil sie fast ausschließlich für Industrieanwendung geeignet sind.

Fazit:

Ich würde, wie die meisten, Polykristallin Solar Module empfehlen. Weil sie eine ziemlich guten Wirkungsgrad anbieten, zu einem günstigeren Preis.

Wie hoch ist die Spannung einer Solarzelle?

Eine Solarzelle ist etwa so groß wie eine Handfläche. Eine einzelne Solarzelle liefert ca.  0,5 V, erzeugt je nach Stärke der Sonnenstrahlung eine Stromstärke von bis zu 9 A. Um einen MP3-Player zu betreiben, braucht man 7 solcher Solarzellen.

Meistens sind 60 Solarzellen in einer Solarmodul eingebaut. Ein Modul erzeugt eine Spannung von 30 Volt (60 * 0,5 Volt).15 Module erzeugen 450 Volt (15 * 30 Volt). Eine Photovoltaikanlage auf einem Hausdach besteht aus 10 bis 100 solcher Solarmodule.

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit Solarzellen, wenn Du mehr über weitere Themen erfahren willst, empfehle ich Dir, noch den Beitrag über Photovoltaikanlagen zu lesen, weil er gut die Einzelelemente erklärt, ohne zu sehr in die Details zu gehen.

Quellen:

Photoeffekt: https://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt

Chi Zhang

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