Warum macht eine Solarzelle Strom und nicht nur warm? Der entscheidende Unterschied einfach erklärt

Bestimmt haben Sie das schon bemerkt: Ein dunkles T-Shirt, ein schwarzes Auto oder ein einfacher Stein werden in der prallen Sonne schnell richtig heiß. Eine Solarzelle auf dem Dach oder Balkon hingegen wird nicht nur warm – sie produziert Strom.

Wie macht sie das? Warum verwandelt sie Sonnenlicht nicht einfach nur in Wärme, wie es die meisten anderen Dinge tun? Diese Frage stellen sich viele, und die Antwort ist faszinierend einfach, sobald man den entscheidenden Unterschied kennt.

Die Sonne: Mehr als nur ein Wärmespender

Wenn die Sonne scheint, sendet sie Energie in Form von Lichtteilchen, den sogenannten Photonen, zur Erde. Trifft dieses Sonnenlicht auf eine Oberfläche, wird diese Energie umgewandelt.

Wie alltägliche Dinge warm werden: Reine Wärmeaufnahme

Stellen Sie sich einen dunklen Pflasterstein in der Mittagssonne vor. Die Photonen des Sonnenlichts treffen auf die Atome des Steins und übertragen ihre Energie. Dadurch beginnen die Atome, stärker zu schwingen – eine Bewegung, die wir als Wärme spüren. Der Stein wandelt die Lichtenergie also direkt in Wärmeenergie um. Ähnlich verhalten sich alle dunklen Oberflächen: Sie absorbieren viel Sonnenlicht und werden dadurch warm.

Das Geheimnis der Solarzelle: Der photovoltaische Effekt

Eine Solarzelle geht einen cleveren Schritt weiter. Sie ist nicht einfach nur eine dunkle Fläche, sondern ein kleines technisches Wunderwerk, das speziell dafür entwickelt wurde, Lichtenergie direkt in elektrische Energie – also Strom – umzuwandeln. Das Herzstück dieses Prozesses ist der sogenannte photovoltaische Effekt.

Das Material macht den Unterschied: Halbleiter wie Silizium

Solarzellen bestehen meist aus einem Halbleitermaterial wie Silizium, das besondere elektrische Eigenschaften besitzt. Vereinfacht gesagt: Die Elektronen in den Siliziumatomen sitzen nicht so fest wie in anderen Materialien, aber auch nicht so locker, dass sie von allein umherfließen.

Wenn Licht auf den Halbleiter trifft: Elektronen in Bewegung

Trifft nun ein Photon auf ein Atom im Siliziumkristall, kann es seine Energie an ein Elektron abgeben. Wenn das Photon energiereich genug ist, schlägt es dieses Elektron aus seiner Bindung im Atom heraus. Dieses Elektron ist nun frei beweglich, während im Atom eine Art „Lücke“ zurückbleibt. Dieser Vorgang wird auch als innerer photoelektrischer Effekt bezeichnet.

Ordnung statt Chaos: So entsteht ein gerichteter Stromfluss

Nun haben wir also freie Elektronen. Würden sie sich jedoch nur zufällig bewegen, entstünde noch kein nutzbarer Strom. An dieser Stelle kommt die spezielle Struktur der Solarzelle ins Spiel: Sie besteht aus zwei unterschiedlich behandelten (dotierten) Siliziumschichten, die zusammen einen sogenannten p-n-Übergang bilden. Dieser Übergang erzeugt ein eingebautes elektrisches Feld, das man sich wie eine unsichtbare Rutsche vorstellen kann.

Sobald ein Elektron durch Licht frei wird, zwingt dieses Feld es, sich in eine bestimmte Richtung zu bewegen – weg von der „Lücke“, die es hinterlassen hat. Die „Lücken“ bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung.

Werden nun Metallkontakte an der Ober- und Unterseite der Zelle über einen Stromkreis (zum Beispiel mit einem Gerät oder dem Stromnetz) verbunden, fließen die gesammelten Elektronen durch diesen Kreis. Genau diese gerichtete Bewegung ist der elektrische Strom, den wir nutzen.

Der entscheidende Unterschied: Gezielte Stromerzeugung vs. diffuse Wärme

Der Kernunterschied liegt also darin, was mit der Energie der Photonen geschieht:

• Bei der reinen Wärmeentwicklung (z. B. am dunklen Stein): Die Lichtenergie versetzt die Atome des Materials nur in stärkere, aber ungeordnete Schwingungen. Die Energie verteilt sich im Material und wird als Wärme spürbar.
• Bei der Stromerzeugung in der Solarzelle (Photovoltaik): Die Lichtenergie löst Elektronen aus ihren Bindungen. Ein inneres elektrisches Feld zwingt diese Elektronen auf eine geordnete Bahn. Diese gerichtete Bewegung ist elektrischer Strom.

Experten bringen es auf den Punkt: Ein Solarmodul wandelt keine Wärme um, sondern Strahlung direkt in Strom. Solarzellen sind also raffiniert konstruiert, um die Energie des Lichts nicht einfach in ungerichtete atomare Zitterbewegungen (Wärme) umzuwandeln, sondern sie gezielt für die Erzeugung eines elektrischen Stroms zu nutzen.

Wird eine Solarzelle denn gar nicht warm? Ein wichtiger Nebeneffekt

Obwohl das Hauptziel die Stromerzeugung ist, erwärmen sich auch Solarzellen. Das liegt daran, dass nicht die gesamte Energie des Sonnenlichts in Strom umgewandelt werden kann. Ein Teil davon geht als Abwärme verloren, zum Beispiel durch Photonen mit unpassender Energie oder durch den elektrischen Widerstand in der Zelle selbst.

Diese Erwärmung ist mehr als nur ein Nebeneffekt, denn sie beeinträchtigt die Leistung. Tatsächlich sinkt der Wirkungsgrad gängiger Solarmodule bei steigender Temperatur. Pro Grad Celsius über der Normtesttemperatur von 25 °C kann der Wirkungsgrad um etwa 0,3 bis 0,45 Prozent abnehmen. Ein Solarmodul bei 50 °C liefert daher oft nur noch 90 bis 95 Prozent seiner maximalen Leistung.

Das ist auch der Grund, warum Photovoltaikanlagen an einem kühlen, sonnigen Frühlingstag manchmal höhere Erträge liefern als an einem sehr heißen Sommertag mit vergleichbarer Sonneneinstrahlung.

Abgrenzung: Solarthermie – Wenn die Sonne gezielt Wärme erzeugen soll

Wichtig ist an dieser Stelle die Abgrenzung zur Solarthermie, einer anderen Solartechnik. Solarthermische Anlagen sind darauf ausgelegt, die Sonnenenergie so effizient wie möglich in Wärme umzuwandeln, um zum Beispiel Wasser für den Haushalt zu erwärmen oder die Heizung zu unterstützen. Diese Systeme nutzen spezielle Kollektoren, die die Sonnenwärme gezielt sammeln und weiterleiten. Hier ist die Wärme das gewünschte Produkt, nicht der Strom.

Fazit: Das kleine Wunder der direkten Stromerzeugung aus Licht

Eine Solarzelle wird also nicht nur warm, sondern erzeugt Strom, weil ihr spezieller Aufbau den photovoltaischen Effekt in Halbleitermaterialien nutzt. Statt die Lichtenergie unkontrolliert in Wärme verpuffen zu lassen, wird sie genutzt, um Elektronen gezielt in Bewegung zu versetzen. Es ist diese kontrollierte, gerichtete Bewegung, die den Stromfluss erzeugt – eine faszinierende und elegante Art, saubere Energie zu gewinnen. Wir begleiten Sie gern weiter auf Ihrem Weg in die Welt der Solarenergie.

Häufige Fragen (FAQ)

Wie effizient sind Solarzellen eigentlich?

Moderne Solarzellen für den Hausgebrauch haben typischerweise einen Wirkungsgrad von etwa 18 bis über 22 Prozent. Das bedeutet, sie wandeln diesen Prozentsatz der auftreffenden Sonnenenergie in elektrischen Strom um. Die Forschung arbeitet ständig an noch effizienteren Zellen.

Funktionieren Solarzellen auch, wenn der Himmel bewölkt ist?

Ja, Solarzellen funktionieren auch bei diffusem Licht, also bei bewölktem Himmel. Sie erzeugen dann allerdings weniger Strom als bei direkter Sonneneinstrahlung. Die Strommenge hängt dabei von der Lichtintensität ab.

Was ist der Unterschied zwischen einer Solarzelle und einem Solarmodul?

Eine Solarzelle ist die kleinste Einheit, die den photovoltaischen Effekt nutzt. Mehrere Solarzellen werden elektrisch miteinander verbunden und in einem wetterfesten Rahmen montiert – das Ergebnis ist ein Solarmodul (oft auch Solarpaneel genannt). Eine Photovoltaikanlage besteht dann wiederum aus mehreren Solarmodulen.