Silizium & Co.: Die Materialien hinter der Solarzelle einfach erklärt

Haben Sie sich jemals gefragt, was genau in den glänzenden Solarpanelen auf den Dächern steckt und wie sie es schaffen, Sonnenlicht in Strom zu verwandeln? Auch wenn es kompliziert klingt, beruht die Magie dahinter auf clever eingesetzten Materialien.

Dieser Artikel nimmt Sie mit auf eine Reise in die Welt der Solarzelle – ganz ohne Fachchinesisch. Wir schauen uns an, welche Stoffe die Hauptrollen spielen und wie sie als Team für saubere Energie sorgen. Sie werden sehen: Das Prinzip ist leicht zu verstehen.

Was ist eine Solarzelle überhaupt?

Bevor wir uns die einzelnen Materialien ansehen, ein kurzer Blick auf die Grundlagen: Was ist eine Solarzelle eigentlich? Stellen Sie sie sich einfach als ein kleines Kraftwerk vor, das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandelt.

Sie ist der grundlegende Baustein jedes Solarmoduls, wie Sie es auf Dächern oder in Solarparks sehen. Viele dieser Zellen werden zusammengeschaltet, um genügend Strom für den Alltag zu erzeugen. Die eigentliche Kunst liegt dabei in den Materialien, aus denen sie gemacht ist.

Der Star der Show: Silizium

Das mit Abstand wichtigste Material der meisten Solarzellen ist Silizium. Tatsächlich basieren über 95 % aller weltweit produzierten Solarzellen auf diesem Element. Aber warum gerade Silizium?

• Ein besonderer Halbleiter: Silizium ist ein sogenannter Halbleiter. Das bedeutet, es leitet nur unter bestimmten Bedingungen elektrischen Strom – eine entscheidende Eigenschaft für die Stromerzeugung aus Licht.
• Häufig und günstig: Als zweithäufigstes Element in der Erdkruste wird Silizium hauptsächlich aus Quarzsand gewonnen. Das macht es relativ kostengünstig und gut verfügbar.

Es gibt verschiedene Arten von Silizium, die in Solarzellen zum Einsatz kommen. Hier ein kurzer Überblick:

• Monokristallines Silizium: Diese Zellen bestehen aus Silizium höchster Reinheit mit einem einzigen, perfekt geordneten Kristallgitter. Stellen Sie sich die makellose Struktur eines Diamanten vor – ganz ähnlich ist es hier. Monokristalline Zellen erzielen oft einen höheren Wirkungsgrad, sind also effizienter bei der Umwandlung von Licht in Strom, aber auch etwas teurer in der Herstellung. Sie erkennen sie meist an ihrer gleichmäßig dunklen Färbung und den abgerundeten Ecken.
• Polykristallines Silizium: Hier besteht das Silizium aus vielen kleineren Kristallen, die an ein Mosaik erinnern. Die Herstellung ist günstiger, dafür fällt der Wirkungsgrad in der Regel etwas geringer aus als bei monokristallinen Zellen. Optisch erkennen Sie sie oft an der bläulichen, schimmernden Oberfläche mit sichtbaren Kristallgrenzen.
• Amorphes Silizium: Bei amorphem Silizium sind die Atome nicht kristallin, sondern eher ungeordnet. Diese Zellen sind sehr dünn, flexibel und werden oft in Dünnschichtmodulen eingesetzt, zum Beispiel für Taschenrechner oder mobile Ladegeräte. Ihr Wirkungsgrad ist zwar geringer, doch sie sind kostengünstig und funktionieren auch bei schwachem Licht relativ gut.

Für die meisten Hausdachanlagen kommen heute monokristalline oder polykristalline Siliziumzellen zum Einsatz.

Die „Co-Stars“: Weitere wichtige Materialien

Silizium ist zwar der Hauptdarsteller, doch erst im Zusammenspiel mit anderen Materialien kann eine Solarzelle richtig funktionieren. Schauen wir uns diese wichtigen Helfer einmal genauer an.

Die Dotierstoffe: Phosphor und Bor für die richtigen Schichten

Reines Silizium allein leitet Strom nur schlecht. Um seine Leitfähigkeit zu verbessern und die Grundlage für den Stromfluss zu schaffen, wird es gezielt mit Fremdatomen „verunreinigt“. Diesen Vorgang nennt man Dotierung. So entstehen zwei unterschiedliche Siliziumschichten:

• Die N-Schicht (negativ leitende Schicht): Hier wird Silizium mit einer geringen Menge Phosphor dotiert. Phosphoratome haben ein Elektron mehr als Siliziumatome. Diese zusätzlichen, frei beweglichen Elektronen sorgen für einen Überschuss an negativen Ladungsträgern.
• Die P-Schicht (positiv leitende Schicht): Für diese Schicht wird Silizium mit Bor dotiert. Boratome haben ein Elektron weniger als Siliziumatome. Dadurch entstehen sogenannte „Löcher“ – man kann sie sich als fehlende Elektronen vorstellen, die sich wie positive Ladungsträger verhalten.

Die Grenzschicht (p-n-Übergang): Der magische Ort

Treffen die n-Schicht und die p-Schicht aufeinander, entsteht an ihrer Grenze der sogenannte p-n-Übergang – das eigentliche Herzstück der Solarzelle. Hier bildet sich ein internes elektrisches Feld, das wie eine Einbahnstraße für Elektronen wirkt. Dieses Feld sorgt dafür, dass der erzeugte Strom nur in eine Richtung fließt.

Die Stromsammler: Metallkontakte aus Silber und Aluminium

Damit der erzeugte Strom genutzt werden kann, muss er natürlich gesammelt und abgeleitet werden. Dafür sorgen feine Metallkontakte:

• Vorderseite: Auf der sonnenzugewandten Seite der Zelle werden dünne Leiterbahnen aus Silber aufgebracht, die möglichst wenig Sonnenlicht abdecken dürfen.
• Rückseite: Die Rückseite der Zelle ist meist vollflächig mit Aluminium beschichtet, das ebenfalls als Kontakt dient.

Die Anti-Reflex-Schicht: Damit kein Licht verloren geht

Jeder Sonnenstrahl zählt: Licht, das von der Oberfläche einer Solarzelle reflektiert wird, geht für die Stromerzeugung verloren. Um diese Verluste zu minimieren, wird die Zelle mit einer hauchdünnen Anti-Reflex-Schicht überzogen, meist aus Siliziumnitrid. Diese Schicht hat eine ähnliche Funktion wie die Entspiegelung bei Brillengläsern und sorgt dafür, dass möglichst viel Licht in die Zelle eindringt. Oft verleiht sie den Solarzellen ihre typische bläuliche Farbe.

Schutz und Stabilität: Glas und Einkapselungsmaterial

Eine einzelne Solarzelle ist hauchdünn und empfindlich. Um sie vor Witterungseinflüssen wie Regen, Hagel oder Schnee sowie vor mechanischer Belastung zu schützen, wird sie in ein robustes Paket eingebettet:

• Frontglas: Eine spezielle, gehärtete Glasscheibe schützt die Vorderseite.
• Einkapselungsmaterial: Die Zellen werden meist zwischen zwei Folien aus Ethylenvinylacetat (EVA) gebettet, einem transparenten und UV-stabilen Material, das vor Feuchtigkeit schützt.
• Rückseitenfolie: Eine wetterfeste Kunststofffolie schließt das Modul auf der Rückseite ab.

Das Zusammenspiel: Wie die Materialien Licht in Strom verwandeln

Jetzt wissen Sie, welche Materialien in einer Solarzelle stecken. Aber wie erzeugen sie gemeinsam Strom? Der Prozess dahinter, der sogenannte photovoltaische Effekt, funktioniert vereinfacht so:

1. Sonnenlicht trifft auf die Zelle: Das Sonnenlicht besteht aus winzigen Energiepaketen, den Photonen. Wenn diese auf die Siliziumschichten treffen, geben sie ihre Energie an die Siliziumatome ab.
2. Elektronen werden „wachgerüttelt“: Die Energie der Photonen löst Elektronen aus ihren festen Bindungen im Silizium. Sie können sich nun frei bewegen und hinterlassen gleichzeitig „Löcher“ in der Atomstruktur.
3. Die Grenzschicht als Regisseur: An dieser Stelle kommt der p-n-Übergang ins Spiel. Sein elektrisches Feld wirkt wie ein Sortierer: Es zwingt die freien Elektronen in Richtung der n-Schicht und die „Löcher“ in Richtung der p-Schicht. Durch diese Trennung der Ladungsträger entsteht eine elektrische Spannung zwischen Vorder- und Rückseite der Zelle – ähnlich wie bei einer Batterie.
4. Strom fließt!: Schließen Sie nun einen Verbraucher (z. B. eine Lampe oder den Wechselrichter) an die Metallkontakte an, entsteht ein geschlossener Stromkreis: Die gesammelten Elektronen fließen von der n-Schicht durch den Verbraucher zur p-Schicht, um die „Löcher“ wieder aufzufüllen. Dieser gerichtete Elektronenfluss ist nichts anderes als elektrischer Strom, genauer gesagt Gleichstrom (DC).

Dieser Vorgang läuft kontinuierlich ab, solange Licht auf die Solarzelle fällt.

Kurz notiert: Gibt es auch Solarzellen ohne Silizium?

Obwohl Silizium den Markt dominiert, gibt es auch alternative Materialien für die Herstellung von Solarzellen. Sie spielen vor allem in Nischenmärkten oder bei speziellen Anwendungen eine Rolle:

• Dünnschichtsolarzellen: Diese Zellen verwenden Materialien wie Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS). Sie können sehr dünn auf Trägermaterialien aufgedampft werden und sind oft flexibler als Siliziumzellen.
• Organische Solarzellen: Hier werden organische, also kohlenstoffbasierte, Halbleitermaterialien verwendet. Diese befinden sich oft noch in der Entwicklung, versprechen aber günstige Herstellungskosten, hohe Flexibilität und sogar transparente Bauweisen.

Diese Technologien sind spannend, doch für die breite Anwendung, insbesondere bei Hausdachanlagen, ist Silizium nach wie vor das Maß aller Dinge.

Von der Zelle zum Panel (Solarmodul)

Eine einzelne Solarzelle erzeugt nur eine geringe Menge Strom und Spannung. Um eine nutzbare Leistung zu erzielen, werden viele einzelne Zellen (meist 60, 72 oder mehr) elektrisch miteinander verschaltet – in Reihe, um die Spannung zu erhöhen, und parallel, um den Strom zu steigern.

Diese verschalteten Zellen werden dann, wie oben beschrieben, zwischen Glas und Rückseitenfolie eingebettet und mit einem stabilen Aluminiumrahmen versehen. Fertig ist das, was wir als Solarmodul oder Solarpanel kennen – bereit für die Montage auf dem Dach.

Fazit: Ein cleveres Teamwork der Materialien

Eine Solarzelle ist, wie Sie sehen, ein kleines Wunderwerk der Materialwissenschaft. Es ist das clevere Zusammenspiel aus Silizium als Hauptakteur und seinen vielen Helfern – von Dotierstoffen über Metalle bis hin zu Schutzschichten –, das uns die kostenlose Energie der Sonne nutzen lässt.

Dieses Grundprinzip ist gar nicht so kompliziert, oder? Es zu kennen, hilft dabei, die faszinierende Technologie hinter der Photovoltaik noch mehr wertzuschätzen. Mit diesem Wissen im Gepäck können Sie die Möglichkeiten der Solarenergie für sich entdecken und einen wichtigen Schritt in Richtung Energieunabhängigkeit machen.