Aufbau u. Funktion

Die Solarzelle≡Solarzelle≡
Die Solarzelle ist der Grundbaustein der Stromerzeugung aus der Sonnenenergie (Solarstrahlung). Die Solarzelle besteht aus lichtempfindlichen Halbleitern (Material meist Silizium), die beim Auftreffen von Licht eine Gleichspannung von maximal 0,7 Volt abgeben können. Mehrere Solarzellen werden zu einem Solarstrommodul verschaltet (Reihenschaltung), wodurch sich eine höhere Spannung von z. B. 12 oder 24 Volt ergibt. Man unterscheidet monokristalline, polykristalline und amorphe Zellen ist die kleinste Einheit einer solaren Stromversorgungsanlage. Die Stromerzeugung der Solarzellen beruht auf dem fotovoltaischen Prinzip.

	Polykristaline Solarzellen erkennt man an den typischen hell- bis tiefblauen Farbtönen und bizarren Strukturen, die an Eiskristalle erinnern.
	Monokristaline Zellen zeigen eine tiefblaue homogene Fläche. Einzelne Siliziumzellen werden zu größeren Einheiten≡Einheiten≡ Physikalische Einheiten der Energie: 1 GJ GigaJoule = 1000 MJ (MegaJoule) 1 MJ = 1000 kJ (kiloJoule) 1 kJ = 1000 J (Joule), 1 GWh (GigaWattstunde) = 1000 MWh (MegaWattstunden) 1 MWh = 1000 kWh (kiloWattstunden) 1 kWh = 1000 Wh (Wattstunden) Umrechnung: 1 kWh = 3,6 MJ = 860 kcal, veraltet: eine kcal kilocalorie = 1000 Kalorien durch Reihenschaltung≡Reihenschaltung≡ Bei der Stromerzeugung durch Solarmodule werden einzelne Module in Reihe, also hintereinander geschaltet. Dabei wird der Pluspol des einen mit dem Minuspol des folgenden und dessen Pluspol wieder mit dem nächstfolgenden Modul usw. usf. zusammengeschaltet, um die elektrische Spannung zu erhöhen. In einer Reihenschaltung von Heizkörpern kann die Leistung eines vorhandenen Heizkörpers durch zusätzliche Montage eines zweiten Heizkörpers mit minimalem Verohrungsaufwandes erfolgen. Zur Erhöhung der Spannung werden auch Batterien in Reihe geschaltet. So ergeben drei NiMh-Akkumulatoren mit einer Spannung von 1,2 Volt in Reihe geschaltet eine Spannung von 3,6 Volt. verbunden
	Die Funktionsweise der Stromerzeugung mit einer Solazelle zeigt nebenstehende Abbildung. Die Solarzelle besteht aus jeweils einer n- und p-leitenden Siliziumschicht. Durch die energiereiche Solarstrahlung≡Solarstrahlung≡ Die Solarstrahlung ist die von der Sonne in den Weltraum ausgehende Energie. Sie entsteht infolge der Kernfusion im Sonneninneren. Die auf die Erde auftreffende durchschnittliche  Solarstrahlungsleistung beträgt 1.000 W/m². Die in Mitteleuropa auftreffende und damit theoretisch nutzbare Energiemenge macht etwa 1000 kWh/m² im Jahr aus. Man unterscheidet direkte Strahlung und diffuse Strahlung. werden an der Grenzflächeauf einer solchen Struktur Ladungsträger "freigeschlagen". Es entsteht eine Spannung≡Spannung≡ Die elektrische Spannung - häufig auch als Stromspannung bezeichnet - gibt die Ladungsdifferenz zwischen zwei Polen (Minuspol und Pluspol) an. Die Höhe der Spannung wird in Volt (V) angegeben. Das Formelzeichen ist U. Man unterscheidet Gleichspannung (Batterie, Betriebspannung im Computer, Solarstrommodul) und Wechselspannung (Steckdose, Dynamo). wie bei einer Batterie≡Batterie≡ Die Batterie ist eine Ansammlung von galvanischen Elementen (bzw. Zellen bei Akkumulatoren), die Strom abgeben können. Aus der Anzahl der Elemente bzw. Zellen - die in Reihe geschaltet sind - ergibt sich die nutzbare Spannung. Eine 9-Volt-Batterie bsw. entsteht aus der Reihenschaltung von 6 Elementen mit je 1,5 Volt. Die Höhe der Spannung der Elemente bzw. Zellen ergibt sich aus der chemischen Zusammensetzung. Als Batterie wird auch eine Zusammenstellung von Heizöltanks (z.B. 3 mal 1500 Liter) verstanden (Batterietank)., die bei Anschluß eines Verbrauchers zu einem Stromfluß führt. Bildquelle: Verbraucherzentrale NRW
	Laderegler≡Laderegler≡ Ein Laderegler ist eine elektronische Baugruppe, die zwischen den Ausgang von Solarstrom-Modulen und den Akkumulator geschaltet wird. Der Laderegler hat die Aufgabe, die Beladung des Akkumulators zu überwachen, um seine optimale Lebensdauer zu sichern. Er sorgt für ständiges Nachregeln (tracking) der Leistungsentnahme um den MPP-Punkt herum. Der Laderegler schützt außerdem den Akkumulator vor zu tiefer Entladung (Lebensdauerverkürzung durch Tiefentladung), in dem er den Verbraucher bei Unterschreitung einer bestimmten Klemmenspannung abschaltet. zur Vermeidung der Überladung der Batterie und zur Vermeidung zu tiefer Entladung der Batterie bei autarken Anlagen

Das fotovoltaische Prinzip bezeichnet einen Vorgang, bei dem bei bestimmten, übereinander angeordneten, Halbleiterschichten unter dem Einfluss von Licht≡Licht≡
Licht ist der sichtbare Teil der Sonnenstrahlung und der künstlichen Beleuchtung. Weißes Licht setzt sich aus einem Gemisch von Strahlen verschiedener Wellenlängen zwischen 380 bis 780 nm (Nanometer) zusammen. Eine Lampe, die nicht alle Wellenlängen aussendet, gibt farbige Dinge verzerrt wieder. So fehlt dem Licht einer Leuchtstoffröhre bzw. einer Energiesparlampe häufig der gelb-rote Anteil. freie Ladungsträger≡freie Ladungsträger≡
Freie Ladungsträger sind für den Transport von elektrischer Energie erforderlich. Ladungsträger sind negativ geladene Elektronen und positiv geladene Elektronenlöcher., also positive Ladungen ("Löcher") bzw. negative Ladungen (Elektronen≡Elektron≡
Ein Elektron ist ein negativ geladenes Teilchen, ein Ladungsträger. Bewegen sich Elektronen in einem Leiter, Halbleiter oder Elektrolyt, fließt elektrischer Strom. Ein Überschuss an Elektronen führt zu einer negativen Aufladung (Minuspol einer Batterie).) entstehen. Über ein außen angeschlossenes Kabel können sich die Elektronen vom Minuspol durch einen Verbraucher (z.B. eine Glühlampe) zum Pluspol der Solarzelle bewegen. Es fließt ein Gleichstrom≡Gleichstrom≡
Bei einem Gleichstrom fließen Ladungsträger (Elektronen) ohne Richtungswechsel in eine Richtung vom Minuspol (Kathode) zum Pluspol (Anode). Angetrieben wird der Gleichstrom in einem Stromkreis von der Gleichspannung einer entsprechenden Quelle, z.B. einer Batterie. Spezielle Umwälzpumpen und Gleichstromventilatoren für die Lüftungstechnik sind sehr sparsam im Verbrauch und lassen sich mit Hilfe moderner Elektronik gut regeln..

Der Strom≡Strom≡
Strom ist der Fluss von Ladungsträgern in einem elektrischen Leiter. Durch einen eingeschalteten elektrischen Verbraucher, z.B. eine Glühlampe, fließt ein Strom. Der Strom wird angetrieben von der Spannung, die an den beiden Polen bzw. Kontakten des Verbrauchers anliegt. Die Höhe des Stromes (Stromstärke) ist abhängig von der Höhe der Spannung und des elektrischen Widerstandes des Leitungsnetzes und des elektrischen Verbrauchers. einer Solarzelle kann zum Betrieb verschiedener elektrischer Geräte wie Lampen, Ventilatoren, Pumpen, Fernseh- und Radiogeräte oder auch in einem Akkumulator≡Akkumulator≡
Der Akkumulator speichert elektrische Energie durch Veränderung chemischer Substanzen. Der Akkumulator ist im Gegensatz zur Batterie wieder aufladbar, d. h. die chemischen Vorgänge sind umkehrbar. Im Kfz-Bereich werden Bleiakkus, in der Unterhaltungselektronik Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt. Akkumulatoren dürfen nicht in den Hausmüll gegeben werden, sondern sind dem Handel für eine Wiederverwertung (Recycling) zuzuführen. gespeichert werden. Mit Hilfe eines Wechselrichters≡Wechselrichter≡
Ein Wechselrichter ist ein elektronisches Gerät zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung. Solarstrommodule erzeugen zunächst eine Gleichspannung, die zur Nutzung der üblicherweise vorhandenen Haushaltgeräte in eine netzkonforme Wechselspannung umgewandelt werden muss. Moderne Wechselrichter arbeiten mit Hilfe von elektronischen Bauelementen nahezu verlustfrei. kann aus der Gleichspannung≡Gleichspannung≡
Gleichspannung liegt vor, wenn sich die Polarität einer Spannungsquelle nicht ändert, es gibt also einen Minus- und einen Pluspol. Ist an beiden Polen ein Verbraucher angeschlossen, z.B. eine Glühlampe, fließt ein Gleichstrom, d.h. ein gerichteter Strom in eine Richtung. Gleichspannung wird benötigt in allen elektronischen Geräten mit Halbleitern und wird bereitgestellt durch Batterien, Akkumulatoren, Solarzellen, Brennstoffzellen oder entsprechende Netzteile. Im Gegensatz dazu liefert unser Hausnetz eine Wechselspannung bzw. Wechselstrom. auch eine Wechselspannung≡Wechselspannung≡
Bei einer Wechselspannung wechselt die Polarität an einem Pol in bestimmter Frequenz von Minus nach Plus und umgekehrt. Die Frequenz des Stromnetzes in Deutschland beträgt 50 Hz, d.h. die Polarität wechselt also 50 mal in der Sekunde. Bei Geräten, die mit Wechselspannung betrieben werden, muss keine Polung beachtet werden (im Gegensatz zum Austausch von Gleichspannung liefernden Batterien für elektronische Geräte). mit 230V gewandelt werden.

Die überwiegende Zahl der heute gebauten Solarzellen wird aus dem Element Silizium≡Silizium≡
Silizium ist das Grundmaterial der Computertechnik und Solarzellen schlechthin. Es kommt in der Natur in Form von Siliziumoxid in nahezu unbegrenztem Ausmaß vor (Sand). Für die Anwendung muss Silizium allerdings in hochreiner kristalliner Form verarbeitet, d.h. entsprechend aufbereitet werden. Man unterscheidet n-Silizium und p-Silizium. Bei der Herstellung von Brennwertgeräten wird von einigen Herstellern eine Legierung aus eine Aluminium-Silizium als wenig korrosionsanfälliger Kesselwerkstoff eingesetzt. hergestellt. Dieses Element kommt als Siliziumdioxid (Sand, Steine) in großer Menge in der Erdkruste vor. Vor seiner Verwendung muss es in einem aufwendigen chemischen Prozess zu hochreinem Silizium gewandelt werden. Neben Silizium werden noch andere vielversprechende Materialien für Solarzellen erprobt. Sie besitzen zur Zeit jedoch noch keine nennenswerte praktische Bedeutung.

Silizium selbst ist ein guter Isolator, leitet den Strom also nicht.

• Chemisch gesehen ist Silizium vierwertig - es besitzt also vier Elektronen auf der äußeren Schale. Um den Isolator halbleitungsfähig zu machen wird dem reinen Silizium eine bestimmte Anzahl von fünf- bzw. dreiwertigen Fremdatomen zugefügt. Diese gezielte "Verunreinigung" mit fünfwertigen Atomen (z.B. Phosphoratome) führt zu einem Überschuss bindungsschwacher Elektronen - es entsteht der Halbleiter≡Halbleiter≡
  Ein Halbleiter ist ein durch bestimmte Zusätze in seinen physikalischen Eigenschaften verändertes Material, z. B. Silizium, dass im Ausgangszustand ein Nichtleiter ist. Ein Halbleiter ist weder ein Isolator noch ein elektrischer Leiter. Halbleiter leiten Strom nur unter bestimmten Bedingungen. Halbleiter sind Grundbestandteil vieler elektronischer Bauelemente, Computer, und Solarzellen. n-leitendes Silizium, wobei n- für negativ steht. Das Einbringen von dreiwertigen Atomen führt zu einem Elektronenmangel - es entsteht p-leitendes Silizium (mit p für positiv).
• Beim Auftreffen von Licht auf den Halbleiterverbund werden die bindungsschwachen Elektronen freigesetzt. Nun kann von den außen angebrachten Kontakten eine elektrische Spannung von bis zu 0,7 Volt≡Volt≡
  Ein Volt ist die Maßeinheit für die elektrische Spannung und hat das Formelzeichen V. Ein Volt misst man über einem Widerstand von einem Ohm, durch den ein Strom von einem Ampere fließt. abgegriffen werden.
• Um eine höhere Spannung zu erzielen werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet. Es entsteht so ein Solarpaneel.

Beim Betrachten von Solarzellen oder #Solarmodulen werden verschiedene Farben und Strukturen sichtbar.

• Eine tiefblaue homogene Fläche deutet auf eine teure, aber auch sehr ergiebige Solarzelle hin. Sie ist aus monokristallinem Silizium aufgebaut. Ausgangspunkt ist die Züchtung eines sogenannten Silizium- Einkristalls. In der Schmelze befindliches hochreines Silizium wird beginnend mit einem Impfkristall zu einem einzigen homogenen regelmäßigen Kristall gezüchtet, in dem das erstarrende Silizium nach und nach aus der Schmelze gezogen wird. Der Einkristall wird in hauchdünne Scheiben zersägt und mit Fremdatomen zu einem Halbleiter "verunreinigt". Der Wirkungsgrad≡Wirkungsgrad≡
  Der Wirkungsgrad stellt das Verhältnis von nutzbarer zu aufgewendeter Energie bzw. Arbeit oder Leistung dar. Bei Wärmeerzeugern, die Brennstoffe wie Öl, Gas, Holz oder Kohlen verbrennen, unterscheidet man: Feuerungswirkungsgrad, Normnutzungsgrad, Jahresnutzungsgrad. Bei Wärmepumpen wird der Wirkungsgrad mit der Leistungszahl ausgedrückt. der fertigen Zelle liegt bei etwa 15 bis 20 %.
• Solarzellen aus polykristallinem Silizium sind einfacher und kostengünstiger in der Herstellung. Sie sind erkennbar an hell- bis tiefblauen Farbtönen und bizarren Strukturen, die an Eiskristalle erinnern. Bei der Fertigung wird das flüssige Silizium einfach in Formen gegossen, wobei es in vielen unregelmäßigen Kristallen erstarrt. Die Strom-Ausbeute ist bei gleicher Sonneneinstrahlung etwas geringer als die von monokristallinen≡monokristallin≡
  Monokristalline Solarstrommodule besitzen Solarzellen, deren Grundmaterial aus einen sogenannten Einkristall gefertigt werden. Einkristalle werden aus einer hochreinen Siliziumschmelze gezogen. Monokristalline Solarzellen haben einen haben einer sehr hohen Wikrungsgrad. Zellen (ca. 13 bis 16 %).
• Amorphes Silizium kennt man aus Armbanduhren und Taschenrechnern. Diese Solarzellen sehen Grau-Schwarz aus. Kristalle sind nicht zu erkennen. Sie werden durch Aufdampfen von Silizium auf Glas hergestellt. Die Produktion ist vergleichsweise billig. Allerdings ist auch der Wirkungsgrad schlecht (kleiner 7%) und die Lebensdauer gering.

Zum Schutz gegen gegen Umwelteinflüsse werden Solarzellen in Glasscheiben oder transparente Kunststoffflächen eingebettet, luftdicht verschlossen und meist mit einem stabilisierenden Metall-Rahmen versehen. Module aus kristallinem Silizium werden heute nach dem Internationalen Standard IEC 61215 zertifiziert. Für Module aus amorphem Silizium gilt IEC 61646.