Funktionsweise Solarzelle: Physik und Technik im Detail

Eine Solarzelle wandelt Sonnenlicht an einem pn-Übergang direkt in elektrische Energie um. Trifft ein Photon auf das Silizium, entsteht ein Elektron-Loch-Paar. Das eingebaute elektrische Feld der Raumladungszone trennt beide Ladungen, bevor sie sich wieder vereinigen können, und treibt so einen Strom durch den äußeren Kreis. Die Spannung einer einzelnen Zelle liegt dabei bei etwa 0,6 bis 0,7 Volt, die maximale Ausbeute begrenzt die Shockley-Queisser-Grenze auf rund 33 Prozent. Wie das im Detail funktioniert, welche Zelltypen es gibt und worauf es bei Aufbau und Wartung ankommt, klären die folgenden Abschnitte.

Wichtige Erkenntnisse

Eine Solarzelle erzeugt Strom, weil das elektrische Feld der Raumladungszone am pn-Übergang photonenerzeugte Elektron-Loch-Paare trennt, bevor Rekombination sie vernichtet.

Inhaltsverzeichnis

• Wie ist eine klassische Silizium-Solarzelle aufgebaut?
• Was passiert mit einem Photon in der Zelle?
• Wie liest man die IV-Kennlinie einer Solarzelle?
• Welche Zelltypen und Materialien gibt es?
• Warum begrenzt die Shockley-Queisser-Grenze den Wirkungsgrad?
• Wie wird eine Solarzelle hergestellt?
• Wie werden Zellen zu Modulen und Anlagen verschaltet?
• Worauf sollten Sie bei Messung und Installation achten?
• Autorenperspektive: Warum physikalisches Verständnis den Unterschied macht
• Photovoltaik vom Fachbetrieb: Planung ohne Rätselraten
• Quellen

Wie ist eine klassische Silizium-Solarzelle aufgebaut?

Eine handelsübliche Siliziumzelle ist nur wenige hundert Mikrometer dick, meist zwischen 150 und 200 Mikrometer, und besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Schichten. Die obere, sehr dünne Schicht ist mit Phosphor dotiert und wird dadurch n-leitend: Sie hat einen Elektronenüberschuss. Darunter liegt das deutlich dickere p-dotierte Substrat, meist mit Bor versetzt, das als Hauptabsorber für das einfallende Licht dient.

An der Grenze zwischen beiden Schichten diffundieren Elektronen aus der n-Schicht in die p-Schicht und Löcher umgekehrt, bis sich ein elektrisches Gleichgewicht einstellt. Dabei bildet sich die sogenannte Raumladungszone, ein schmaler Bereich mit einem eingebauten elektrischen Feld. Genau dieses Feld ist der Motor der ganzen Zelle.

• Die n-Schicht liegt oberflächennah, damit möglichst viel Licht ungehindert bis zum Übergang vordringt.
• Das p-Substrat bildet das Volumen der Zelle und übernimmt den Großteil der Lichtabsorption.
• In der Raumladungszone selbst werden Elektron-Loch-Paare besonders effizient getrennt, wie Messungen zur Halbleiterdiode bei Silizium-Solarzellen zeigen.
• Licht, das genau in oder nahe dieser Zone absorbiert wird, hat die höchste Chance, tatsächlich zu Strom zu werden statt einfach wieder zu rekombinieren.

Die Dicke und Dotierungskonzentration beider Schichten sind kein Zufall. Sie werden gezielt so gewählt, dass die Raumladungszone tief genug liegt, um viel Licht einzufangen, aber schmal genug bleibt, um die Rekombinationsverluste gering zu halten.

Was passiert mit einem Photon in der Zelle?

Nicht jedes Photon zählt gleich viel. Nur Licht mit einer Energie oberhalb der Bandlücke von Silizium, das entspricht etwa 1,1 Elektronenvolt, kann überhaupt ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband heben. Photonen mit weniger Energie durchdringen die Zelle einfach ungenutzt. Photonen mit deutlich mehr Energie erzeugen zwar ein Elektron-Loch-Paar, verlieren den Überschuss aber sofort als Wärme, ein Effekt namens Thermalisation.

Ist das Paar erst einmal entstanden, entscheidet sich sein Schicksal in Bruchteilen von Mikrosekunden. Entweder es wird getrennt und trägt zum Strom bei, oder es rekombiniert und die Energie geht als Wärme oder Licht verloren. Mehrere Mechanismen konkurrieren dabei:

• Strahlende Rekombination, bei der Elektron und Loch unter Lichtemission wieder verschmelzen.
• Shockley-Read-Hall-Rekombination an Störstellen und Defekten im Kristallgitter.
• Oberflächenrekombination an den unpassivierten Rändern der Zelle.
• Rekombination an Korngrenzen, die vor allem polykristalline Materialien betrifft, wie Untersuchungen zur Ladungsträgerlebensdauer belegen.

Fachlich präziser lässt sich die Ladungstrennung über sogenannte quasi-Fermi-Niveaus beschreiben. Unter Beleuchtung spalten sich die Energieniveaus für Elektronen und Löcher auf, und dieser Gradient sorgt dafür, dass auch Bereiche außerhalb der eigentlichen Raumladungszone zur Stromgewinnung beitragen, wie ein Handout der TU Berlin erläutert. Die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger, also wie lange ein Elektron im p-Material überlebt, bevor es rekombiniert, ist dabei einer der größten Flaschenhälse für die Zelleffizienz.

Profi-Tipp: Verunreinigungen im Rohsilizium wirken wie unsichtbare Fallen für Ladungsträger. Schon geringste Mengen an Eisen oder Kupfer im Kristallgitter senken die Lebensdauer der Minoritätsträger und damit den Wirkungsgrad messbar, weit bevor man das optisch am Material erkennen könnte.

Wie liest man die IV-Kennlinie einer Solarzelle?

Die Leistungsfähigkeit einer Zelle zeigt sich in ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie, kurz IV-Kurve. Drei Werte sind entscheidend: der Kurzschlussstrom Isc, gemessen bei null Volt, die Leerlaufspannung Voc, gemessen bei null Ampere, und der Punkt maximaler Leistung Pmax irgendwo dazwischen. Das Verhältnis von Pmax zum Produkt aus Isc und Voc heißt Füllfaktor, und er ist ein zentrales Qualitätsmaß.

Ein hoher Füllfaktor zeigt eine „eckige“ Kennlinie nahe dem theoretischen Rechteck, ein niedriger eine ausgebeulte, verschenkt also Leistung. Parasitäre Serienwiderstände, etwa durch schlechte Kontakte, und Parallelwiderstände, etwa durch Kurzschlüsse am Rand, drücken den Füllfaktor nach unten. Genau deshalb konzentriert sich die industrielle Fertigung so stark auf Kontaktqualität und Randpassivierung: Hier liegen wenige Prozentpunkte, die wirtschaftlich enorm ins Gewicht fallen.

Mit steigender Zelltemperatur sinkt die Leerlaufspannung deutlich, während der Kurzschlussstrom nur leicht ansteigt. Teilverschattung einzelner Zellen verzerrt die Kennlinie zusätzlich und kann die Gesamtleistung eines Strangs überproportional einbrechen lassen.

Welche Zelltypen und Materialien gibt es?

Monokristalline Zellen bestehen aus einem einzigen, durchgängigen Siliziumkristall ohne innere Korngrenzen. Das reduziert Rekombinationsverluste erheblich, weshalb monokristalline Zellen tendenziell höhere Wirkungsgrade erreichen als polykristalline Varianten, die aus vielen kleinen, zufällig ausgerichteten Kristallkörnern bestehen. Die Korngrenzen zwischen diesen Körnern wirken als Rekombinationszentren und begrenzen die Lebensdauer der Ladungsträger spürbar.

Darauf aufbauend haben sich mehrere moderne Zellkonzepte etabliert, die jeweils ein spezifisches Problem lösen:

• PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) fügt eine zusätzliche Passivierungsschicht auf der Rückseite hinzu und reflektiert ungenutztes Licht zurück in die Zelle.
• TOPCon setzt auf eine dünne Tunneloxidschicht zur besseren Passivierung des Rückkontakts und senkt damit die Rekombinationsverluste weiter.
• HJT (Heterojunction) kombiniert kristallines Silizium mit dünnen amorphen Siliziumschichten und erreicht dadurch besonders geringe Verluste an der Oberfläche.
• Tandemzellen stapeln zwei Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken übereinander, sodass kurzwelliges und langwelliges Licht jeweils vom passenden Material genutzt wird.

Dünnschichtzellen aus Materialien wie Cadmiumtellurid verzichten ganz auf dicke Wafer und lassen sich flexibel und günstig herstellen, kommen aber meist nicht an die Wirkungsgrade kristalliner Zellen heran.

Warum begrenzt die Shockley-Queisser-Grenze den Wirkungsgrad?

Selbst eine perfekt gefertigte Siliziumzelle ohne jeden Materialfehler stößt an eine physikalische Wand. Die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt genau diese Wand: das theoretische Maximum für eine Einzelübergang-Solarzelle unter Standardsonnenlicht, für Silizium bei einem Wirkungsgrad von rund einem Drittel.

Zwei Effekte fressen den größten Teil der theoretisch verfügbaren Energie auf: Thermalisation, bei der überschüssige Photonenenergie einfach als Wärme verpufft, und die Tatsache, dass Photonen unterhalb der Bandlücke komplett ungenutzt durch die Zelle wandern. Hinzu kommt strahlende Rekombination als fundamentaler, nicht vermeidbarer Verlustkanal.

Kommerzielle monokristalline Zellen erreichen heute bereits Wirkungsgrade, die nah an dieses theoretische Limit heranreichen, oft im Bereich etwas über zwanzig Prozent auf Modulebene. Um darüber hinauszukommen, bleibt praktisch nur ein Weg: mehrere Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken übereinanderstapeln. Genau das leisten Tandemzellen, und die Zahlen sind eindrucksvoll: Laborrekorde für Mehrfachzellen nähern sich bereits der 45-Prozent-Marke. Der Haken liegt in der Kommerzialisierung, denn kostengünstige und langlebige Tandemmaterialien für die Massenfertigung sind noch Gegenstand aktiver Forschung.

Wie wird eine Solarzelle hergestellt?

Bevor irgendein Photon auf eine Zelle treffen kann, durchläuft das Silizium eine ganze Kette von Fertigungsschritten. Diese Schritte entscheiden am Ende maßgeblich über Reinheit, Kristallqualität und damit über den erreichbaren Wirkungsgrad.

1. Kristallzucht: Beim Czochralski-Verfahren wird ein Einkristall langsam aus der Schmelze gezogen, für monokristalline Zellen. Beim Blockgießen entstehen günstigere, aber weniger reine polykristalline Blöcke.
2. Sägen und Reinigen: Die Blöcke werden zu dünnen Wafern gesägt und anschließend von Sägerückständen befreit.
3. Dotierung: Phosphor diffundiert bei hoher Temperatur in die Oberfläche und erzeugt die n-Schicht über dem p-dotierten Grundmaterial.
4. Antireflexionsschicht: Eine dünne Beschichtung, meist Siliziumnitrid, reduziert Reflexionsverluste und gibt der Zelle ihre charakteristische blaue Farbe.
5. Kontakte und Einbrennen: Metallpaste wird aufgedruckt und eingebrannt, um Vorder- und Rückkontakte elektrisch anzubinden.

Passivierung der Oberflächen und sorgfältige Kantensäuberung reduzieren zusätzlich die Rekombination an Fehlstellen, wie sie in der Übersicht zu kristallinen Siliziumsolarzellen beschrieben wird.

Wie werden Zellen zu Modulen und Anlagen verschaltet?

Eine einzelne Zelle mit 0,6 Volt bringt praktisch wenig. Deshalb werden viele Zellen über Busbars in Reihe geschaltet, meist 60 oder 72 pro Modul, und anschließend laminiert und verkapselt, um sie vor Witterung zu schützen. Details zum genauen Zusammenspiel der Zellen im Modul erklärt der Beitrag zur Funktionsweise eines Solarmoduls.

• Bypass-Dioden überbrücken einzelne verschattete Zellstränge und verhindern, dass eine schwache Zelle die ganze Reihe ausbremst.
• Ohne diese Dioden könnte eine stark verschattete Zelle im Extremfall zum sogenannten Hot-Spot werden und lokal überhitzen.
• Der Wechselrichter regelt anschließend über MPP-Tracking laufend den optimalen Betriebspunkt der gesamten Anlage, auch wenn sich Einstrahlung und Temperatur ständig ändern.

Wie diese Bausteine im Gesamtsystem zusammenwirken, zeigt der Überblick zur Funktionsweise einer Solaranlage.

Worauf sollten Sie bei Messung und Installation achten?

Bei der Messung unter Standardtestbedingungen (STC) werden Voc und Isc bei 25 Grad Celsius Zelltemperatur und 1.000 Watt pro Quadratmeter Einstrahlung bestimmt. Weicht die tatsächliche Temperatur davon ab, muss man rechnerisch korrigieren, sonst verzerrt das den Vergleich zwischen Datenblatt und Realmessung erheblich.

In der Praxis erhöhen schlechte Lötkontakte oder Verschmutzungen an den Übergängen die Rekombinationsverluste zusätzlich zu den ohnehin vorhandenen physikalischen Grenzen.

Profi-Tipp: Lassen Sie Anlagen regelmäßig per E-Check prüfen. Kontaktkorrosion und Mikrorisse entstehen schleichend und sind mit bloßem Auge oft nicht erkennbar, zeigen sich aber messtechnisch sofort in sinkendem Füllfaktor.

Autorenperspektive: Warum physikalisches Verständnis den Unterschied macht

Wer versteht, dass Rekombination und Kontaktqualität den Wirkungsgrad genauso bestimmen wie die reine Zelltechnologie, trifft bei der Anlagenplanung bessere Entscheidungen, wie in der Solarpark‑Genehmigung: Schritt‑für‑Schritt zum Projekterfolg erläutert. Die Wahl zwischen PERC, TOPCon oder HJT sollte sich an Einbaubedingungen und Ertragszielen orientieren, nicht am lautesten Marketingversprechen. Messdisziplin bei Inbetriebnahme und saubere Fertigungsqualität verlängern die Lebensdauer einer Anlage spürbar. Wer diese Zusammenhänge nicht selbst durchdringen will, spart mit einem erfahrenen Fachbetrieb an genau der Stelle Zeit und Fehler, an der sie am teuersten wären: bei Planung und Erstmessung.

Photovoltaik vom Fachbetrieb: Planung ohne Rätselraten

Physikalisches Grundwissen erklärt, warum eine Anlage funktioniert. Die Frage, ob Ihre Zellen, Ihre Verschaltung und Ihre Kontakte tatsächlich fehlerfrei ausgeführt sind, beantwortet das nicht automatisch, und genau da liegt der Unterschied zwischen Datenblattwerten und echtem Ertrag über Jahre. Elektrotechnik-ernst übernimmt in Augsburg und Umgebung Planung, Installation, Wartung und E-Check für Photovoltaikanlagen aus einer Hand, inklusive Integration einer Wallbox für Elektromobilität, wenn gewünscht.

Ein Fachbetrieb erkennt Kontaktprobleme, Verschattungsrisiken und Passivierungsmängel oft schon beim ersten Ortstermin, bevor sie zu Ertragsverlusten werden. Wenn Sie wissen möchten, was eine gut geplante Anlage für Ihr Gebäude konkret leisten kann, lohnt sich auch ein Blick auf die Vorteile von Solarzellen im Alltag. Wer die Umsetzung lieber komplett in fachkundige Hände legt, statt sich durch die Schritt-für-Schritt-Anleitung selbst zu arbeiten, findet auf der Photovoltaik-Seite von Elektrotechnik-ernst den direkten Einstieg für eine unverbindliche Anfrage zu Planung und Installation.

Quellen

• Shockley-Queisser-Grenze
• Wieviel Strom produziert eine Solarzelle? | Max‑Planck‑Institut
• Pv-wissen
• Silizium‑Solarzellen – Halbleiterdiode | LEIFIphysik

Empfehlung

• Funktionsweise Solarmodul: Aufbau, Technik und Physik erklärt – Elektrotechnik Ernst
• Solaranlage Funktionsweise: Technisch erklärt – Elektrotechnik Ernst
• Vorteile von Solarzellen: Was Photovoltaik wirklich bringt – Elektrotechnik Ernst
• Verstehen der Photovoltaik Funktionsweise für alle – Elektrotechnik Ernst