Solarzellen-Typen erklärt: Funktionsweise, Aufbau und praktische Anwendungen

In diesem Artikel erfahren Sie alles über Solarzellen und ihr Funktionsprinzip, verschiedene Typen von Solarzellen, ihren Aufbau und die Anwendung von Solarzellen. Laden Sie auch die kostenlose PDF-Datei dieses Artikels herunter.

Solarzelle und Typen

Was ist eine Solarzelle?

Bei der photovoltaischen (PV) Umwandlung trifft Sonnenstrahlung auf Halbleiterbauelemente, die Solarzellen genannt werden und das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandeln.

Ein schematisches Diagramm einer photovoltaischen Zelle (PV-Zelle) oder Solarzelle ist in der Abbildung dargestellt.

Es basiert auf dem Effekt, den Licht auf die Grenzfläche zwischen zwei Halbleitertypen hat, die p-Typ und n-Typ genannt werden. Der n-Typ hat einen Überschuss an Elektronen, der p-Typ einen Mangel an Elektronen.

Wenn helles Licht auf eine Zelle trifft, ermöglicht die Energie des Lichts, also das Photon, den Elektronen, sich von der Grenzfläche zwischen ihnen zu lösen.

Dies wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet. Bei einkristallinem Silizium (4 Valenzelektronen) wird der p-Typ durch Dotieren von Silizium mit Bor (3 Valenzelektronen) gewonnen und ist typischerweise 1 µm dick; der n-Typ wird durch Dotieren mit Arsen oder Phosphor (5 Valenzelektronen) gewonnen und ist typischerweise 800 µm dick.

Weiterlesen: Was ist ein Solarmodul? Typen, Funktionsweise, Vorteile und mehr

Typen von Solarzellen

Folgende Typen von Solarzellen werden in Solarmodulen verwendet:

1. Amorphe Silizium-Solarzellen (a-Si)
2. Biohybride Solarzelle
3. Vergrabene-Kontakt-Solarzelle
4. Cadmiumtellurid-Solarzelle (CdTe)
5. Konzentrator-PV-Zelle (CPV und HCPV)
6. Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Solarzellen (CIGS)
7. Kristalline Silizium-Solarzelle (c-Si)
8. Farbstoff-Solarzelle
9. Hybrid-Solarzelle
10. Mehrfach-Solarzelle
11. Monokristalline Solarzelle
12. Nanokristall-Solarzelle
13. Photoelektrochemische Zelle
14. Festkörper-Solarzelle
15. Dünnschicht-Solarzelle
16. Wafer-basierte Solarzellen

#1 Amorphe Silizium-Solarzellen (a-Si)

Dies sind modifizierte Versionen von Dünnschicht-Solarzellen. Diese Art von Solarzelle verwendet drei Schichten amorphen Siliziums, sodass jede eine andere Bandlückenenergie hat. Die unterschiedlichen Bandlücken ermöglichen es jeder Schicht, auf einen anderen Teil des Sonnenspektrums zu reagieren, um den Wirkungsgrad zu steigern.

Amorphe Zellen bieten einen höheren Wirkungsgrad als andere Typen und sind leicht verfügbar. Sie benötigen jedoch die doppelte Fläche, um die gleiche Leistung wie eine monokristalline Solarzelle zu erzeugen.

#2 Biohybride Solarzelle

Biohybride Solarzellen bestehen aus organischer Materie (kohlenstoffhaltig), die Photosysteme enthält, und anorganischer Materie (kohlenstofffrei). Mehrere Schichten des Photosystems sammeln photonische Energie, wandeln sie in chemische Energie um und erzeugen einen Strom, der durch die Zelle fließt.

Der Hauptvorteil einer biohybriden Solarzelle ist, dass sie Sonnenenergie mit 100 % Effizienz in Strom umwandelt. Das bedeutet, dass bei der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie kaum oder keine Leistung verloren geht.

#3 Vergraben-Kontakt-Solarzelle

Die vergraben-Kontakt-Solarzelle ist eine Hochleistungs-Solarzellentechnologie. Diese Typen basieren auf einem galvanisch abgeschiedenen Metallkontakt in einer lasergenerierten Nut.

Sie können eine um etwa 25 % bessere Leistung im Vergleich zu kommerziellen Siebdruck-Solarzellen erzielen. Die Effizienzgewinne der vergraben-Kontakt-Technologie bieten erhebliche Kosten- und Leistungsvorteile.

#4 Cadmiumtellurid-Solarzelle (CdTe)

Diese Art von Solarzelle verwendet Cadmiumtellurid in einer dünnen Halbleiterschicht, die darauf ausgelegt ist, Sonnenlicht zu absorbieren und in Strom umzuwandeln. Diese fungieren als primäre Photo-Umwandlungsschicht und absorbieren den größten Teil des sichtbaren Lichts innerhalb des ersten Mikrometers des Materials.

Dabei erzeugt die TCO-Schicht ein elektrisches Feld, das das im CdTe absorbierte Licht in Strom und Spannung umwandelt. Diese Systeme sind viel effizienter als vergleichbares kristallines Silizium.

#5 Konzentrator-PV-Zelle (CPV und HCPV)

Konzentrator-PV-Zellen erzeugen elektrische Energie auf die gleiche Weise wie konventionelle photovoltaische Systeme. CPV verwendet typischerweise gekrümmte Spiegel, um Sonnenlicht auf kleine, hocheffiziente Mehrfach-Solarzellen zu fokussieren. Diese können einen Wirkungsgrad von etwa 40 % erreichen und sind zudem günstiger.

#6 Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Solarzellen (CIGS)

Eine Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Solarzelle wird verwendet, um Sonnenlichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Sie wird meist durch Abscheidung einer dünnen Schicht aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen auf einem Glas- oder Kunststoffträger hergestellt, mit Elektroden auf Vorder- und Rückseite zur Stromableitung.

Da der Werkstoff einen hohen Absorptionskoeffizienten hat und Sonnenlicht stark absorbiert, wird ein viel dünnerer Film benötigt. Diese Materialien können einen signifikanten Teil des Sonnenspektrums absorbieren, was ihnen den höchsten Wirkungsgrad ermöglicht.

#7 Kristalline Silizium-Solarzelle (c-Si)

Kristallines Silizium ist der wichtigste Halbleiterwerkstoff, der in der Photovoltaik-Technologie zur Herstellung von Solarzellen verwendet wird. Diese Solarzellen bestehen aus Siliziumteilchen, die miteinander verbunden sind, um ein Kristallgitter zu bilden.

Dieses Kristallgitter bietet ein organisiertes System, das die Umwandlung von Licht in Strom effizienter macht. Da es einen hohen Wirkungsgrad hat, senkt es die Kosten der endgültigen Installation.

#8 Farbstoff-Solarzelle

Es handelt sich um eine kostengünstige Dünnschicht-Solarzelle, basierend auf einem Halbleiter, der sich zwischen einer photosensitiven Anode und einem Elektrolyten bildet – ein photoelektrochemisches System. Diese Geräte wandeln Lichtenergie mithilfe von organischen Farbstoffen und Halbleitern in elektrische Energie um.

Im Vergleich zu anderen Solarzellentypen verhalten sie sich bei hohen Temperaturen und diffusem Licht besser. Zudem sind sie kosteneffizient, einfach herzustellen und einfach zu handhaben.

#9 Hybrid-Solarzelle

Diese Arten von Solarzellen bestehen aus zwei Materialien: organischen und anorganischen Halbleitern. Das organische Material besteht aus konjugierten Polymeren, die Licht als Donoren absorbieren und Löcher transportieren.

Andererseits werden anorganische Materialien als Akzeptoren und Elektronentransporter in der Struktur verwendet. Der Vorteil hybrider Solarsysteme ist, dass sie Solarenergie speichern und kostengünstigen Strom liefern. Die Nutzung von Solarenergie wird während der Spitzenlastzeiten möglich.

#10 Mehrfach-Solarzelle

Dies sind Solarzellen mit mehreren p-n-Übergängen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Dabei erzeugt der p-n-Übergang jedes Materials einen elektrischen Strom als Reaktion auf unterschiedliche Wellenlängen des Lichts.

Sie können unterschiedliche Wellenlängen des einfallenden Sonnenlichts mithilfe separater Schichten absorbieren. Dies macht sie effizienter bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom als Einfach-Übergang-Zellen.

#11 Monokristalline Solarzelle

Diese Art von Solarzelle besteht aus einem zylindrischen Siliziumstab, der aus einem einkristallinen Silizium hoher Reinheit hergestellt wird, ähnlich wie bei einem Halbleiter. Sie funktioniert wie eine polykristalline Solarzelle.

Wenn Sonnenlicht auf monokristalline Solarzellen trifft, absorbieren sie die Energie und erzeugen durch einen komplexen Prozess ein elektrisches Feld. Dieses elektrische Feld umfasst die Spannung und den Strom, die Strom erzeugen. Monokristalline Solarzellen haben einen relativ hohen Wirkungsgrad.

#12 Nanokristall-Solarzelle

Nanokristall-Solarzellen bestehen aus einem Material, das mit Nanokristallen beschichtet ist. Die Nanokristalle bestehen aus Silizium, CdTe oder CIGS, und die Substrate sind meist Silizium oder verschiedene organische Halbleiter.

Diese Nanokristalle werden durch ein Spin-Coating-Verfahren hergestellt, bei dem ein Volumen einer Quantum-Dot-Lösung auf eine flache Oberfläche gegeben wird. Die Lösung wird gleichmäßig verteilt und die Oberfläche gedreht, bis die erforderliche Dicke erreicht ist.

#13 Photoelektrochemische Zelle

Diese Solarzellen absorbieren eine Sonnenlichtquelle auf einem Halbleiter oder Photosensibilisator, um elektrische Energie zu erzeugen, ähnlich wie eine Farbstoff-Solarzelle.

Dabei besteht jede Zelle aus ein oder zwei Halbleiter-Photoelektroden sowie einer zusätzlichen Metall- und Referenzelektrode, die in einen Elektrolyten getaucht sind. Diese sind kostengünstig und ein ziemlich einfacher Prozess, was einer ihrer Vorteile ist.

#14 Festkörper-Solarzelle

Festkörper-Solarzellen werden typischerweise für Halbleiterbauelemente verwendet, ähnlich wie Halbleiterdioden und integrierte Schaltungen. Sie werden auch in der Halbleiterelektronik ohne bewegliche Teile eingesetzt, um Geräte mit beweglichen Teilen zu ersetzen.

Sie bestehen aus zwei Kristallen, einer mit einem n-Typ-Halbleiter dotiert, der zusätzliche freie Leitungsbandelektronen liefert. Der andere ist mit einem p-Typ-Halbleiter dotiert, der mehr Elektronenlöcher hinzufügt.

#15 Dünnschicht-Solarzelle

Diese Typen sind darauf ausgelegt, Sonnenenergie mithilfe des photovoltaischen Effekts in elektrische Energie umzuwandeln. Dünnschicht-Solarzellen werden durch Abscheidung einer oder mehrerer dünner Schichten auf einem flexiblen Substrat wie Glas, Kunststoff oder Metall hergestellt.

Heutzutage werden verschiedene Arten von Dünnschicht-Solarzellen aufgrund ihrer relativ niedrigen Kosten und ihrer Effizienz in der Stromerzeugung eingesetzt. Sie werden in verschiedenen Technologien verwendet, darunter Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid und amorphes Dünnschicht-Silizium.

#16 Wafer-basierte Solarzellen

Wie der Name schon sagt, bestehen Wafer-basierte Siliziumzellen aus Scheiben einkristallinen oder multikristallinen Siliziums. Sie können den höchsten Wirkungsgrad aller Photovoltaik-Technologien erreichen. Bei dieser Solarzelle werden alle funktionalen Schichten auf dem Substrat abgeschieden und transkribiert, um die elektrisch verbundenen Teilszellen zu trennen.

Funktionsweise der Solarzelle

Die Photonen der Sonne treffen auf der Mikrodünnen p-Seite auf die Zelle und dringen bis zum Übergang vor, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Wenn die Zelle an eine Last angeschlossen ist, wie gezeigt, diffundieren die Elektronen von der n-Seite. Die Stromrichtung (I) ist entgegengesetzt zur Richtung der Elektronen.

Typische Spannungs-Strom-Kennlinien sind in der Abbildung bei zwei unterschiedlichen Sonnenbestrahlungsstärken dargestellt, für jede davon gilt: V_oc = Leerlaufspannung, I_sc = Kurzschlussstrom. Die ideale Leistung der Zelle beträgt V_oc·I_sc. Die maximale nutzbare Leistung ist der Flächeninhalt des größten Rechtecks, das unter die I-V-Kurve gelegt werden kann.

Wenn die diesem Zustand entsprechenden Spannung und Strom mit V_m und I_m bezeichnet werden, beträgt die maximale nutzbare Leistung V_m·I_m. Das Verhältnis der maximal nutzbaren Leistung zur idealen Leistung wird als Füllfaktor (k) bezeichnet. Typische Werte dieser Faktoren für eine Siliziumzelle sind:

V_oc = 450 bis 400 mV; I_sc = 30 bis 50 mA/cm², k = 0,65 bis 0,80.

Solarzellen in Form von Dünnschichten oder Wafern wandeln 3 % bis unter 30 % der einfallenden Sonnenenergie in Gleichstrom um. Die Reihenschaltung solcher Zellen in Serien-Parallel-Konfigurationen ermöglicht die Konstruktion von Solarmodulen mit hohen Spannungen von mehreren Kilovolt.

Kombiniert mit Energiespeichern und Leistungskonditionierungsgeräten können diese Zellen als integraler Bestandteil eines vollständigen solar-elektrischen Umwandlungssystems verwendet werden.

Anwendungen von Solarzellen

Es gibt viele praktische Anwendungen für den Einsatz von Solarmodulen oder Photovoltaik. Zunächst wurde sie in der Landwirtschaft als Stromquelle für Bewässerung eingesetzt. Im Gesundheitswesen können Solarmodule zur Kühlung medizinischer Vorräte verwendet werden. PV-Module werden in photovoltaischen Systemen genutzt und umfassen eine große Vielzahl elektrischer Geräte:

Folgende sind die verschiedenen Anwendungen von Solarzellen:

1. Photovoltaische Kraftwerke
2. Dach-PV-Anlagen
3. Netzunabhängige PV-Systeme
4. Solar-Hybridkraftwerke
5. Konzentrator-Photovoltaik
6. Solarmodule
7. In solar-gepumpten Lasern
8. Solarfahrzeuge
9. In Solarmodulen auf Raumfahrzeugen und Raumstationen

---

Das war's, danke fürs Lesen. Wenn Sie Fragen zu „Typen von Solarzellen“ haben, fragen Sie in den Kommentaren. Wenn Ihnen dieser Artikel gefällt, teilen Sie ihn bitte mit Ihren Freunden.

Abonnieren Sie unseren Newsletter für mehr Inhalte: