Solarzelle

Eine Solarzelle ist eine dünne Halbleiterscheibe, in der Licht Elektronen freisetzt, die ein eingebautes elektrisches Feld als Strom zu den Kontakten treibt, ganz ohne bewegliche Teile und Brennstoff. Die Bell Labs stellten 1954 die erste brauchbare Siliziumzelle vor; Solarenergie lieferte 2025 8,7 % des weltweiten Stroms.

Was es ist

Eine Solarzelle wandelt Licht unmittelbar in elektrischen Strom um, ohne bewegliche Teile und ohne Brennstoff. Die meisten Zellen sind quadratische Siliziumscheiben, etwas breiter als eine Hand. Jede liefert in der Sonne rund ein halbes Volt, deshalb verschaltet man Dutzende davon hinter Glas zu einem Modul, wie dem mit 36 Zellen auf der Tafel.

Als Datum gilt hier der April 1954: Damals stellten die Bell Labs eine Siliziumzelle vor, die etwa 6 % des Sonnenlichts in Strom umsetzte, genug für echte Geräte. Becquerel hatte schon 1839 beobachtet, wie Licht einen Strom erzeugt, doch die ab 1883 gebauten Selenzellen blieben unter 1 %.

Wie es funktioniert

Die Zellen werden aus einem Silizium-Einkristall gesägt, der aus der Schmelze gezogen wird; eine Scheibe ist heute etwa 0,14 mm dick.

Reines Silizium leitet schlecht. Die Dotierung mit einer Spur Phosphor liefert überschüssige Elektronen (n-Typ); eine Spur Bor hinterlässt Lücken, sogenannte Löcher, die sich wie positive Ladungen verhalten (p-Typ). Eine klassische Zelle ist eine mit Bor dotierte Scheibe, deren Vorderseite weniger als einen tausendstel Millimeter tief mit Phosphor durchtränkt wird. Wo beide Bereiche aufeinandertreffen, heben sich Elektronen und Löcher in einer schmalen Zone gegenseitig auf. Zurück bleiben feste Ladungen, die über diesen pn-Übergang ein dauerhaftes elektrisches Feld aufrechterhalten.

Ein Photon mit genug Energie schlägt ein Elektron aus seiner Bindung im Kristall und lässt ein Loch zurück. In der Nähe des Übergangs schiebt das Feld das Elektron zur n-Seite und das Loch zur p-Seite. Die Elektronen sammeln sich in den vorderen Fingern, fließen durch den äußeren Stromkreis, wo sie eine Lampe leuchten lassen oder einen Akku laden, und kehren über den Rückkontakt zurück.

Im Leerlauf zeigt eine Zelle etwa 0,6 bis 0,7 V, unter Last etwa 0,5 V. Die Spannung ändert sich mit der Helligkeit kaum, der Strom dagegen folgt dem Licht: halb so viel Licht, ungefähr halb so viel Strom. In Reihe addieren sich die Spannungen, 36 Zellen arbeiten so bei etwa 17 V, genug, um eine 12-V-Batterie zu laden. Parallel geschaltete Module addieren ihre Ströme. Eine einzige verschattete Zelle bremst ihren ganzen Strang, deshalb sitzen Bypassdioden im Modul.

Infrarotes Licht jenseits von etwa 1,1 Mikrometern geht ungenutzt durch das Silizium, und Photonen mit zu viel Energie verlieren den Überschuss als Wärme. 1961 zeigten William Shockley und Hans-Joachim Queisser, dass diese Verluste eine Zelle mit nur einem Übergang auf etwa ein Drittel des Sonnenlichts begrenzen. Im Silizium kommen Verluste im Kristall selbst hinzu, die seine Grenze auf etwa 29 % senken; die beste Laborzelle erreichte 2026 28,1 %. Auch Wärme senkt den Ertrag: Eine herkömmliche Siliziumzelle verliert je Grad Celsius rund 0,4 bis 0,5 % ihrer Leistung, vor allem durch sinkende Spannung.

Bauanleitung

Zellen herzustellen ist Sache der Fabrik. Eine kleine 12-V-Anlage aus gekauften Modulen, mit zueinander passenden Teilen und nach den Anleitungen der Hersteller aufgebaut, schafft dagegen ein sorgfältiger Laie.

Das Modul bemessen. Vier LED-Lampen zu 5 W für 4 Stunden und ein Radio mit 10 W für 2 Stunden brauchen 100 Wattstunden (Wh) am Tag. Ein Modul liefert etwa seine Nennleistung × Spitzensonnenstunden (die Sonnenenergie eines Tages, umgerechnet in Stunden mit voller Einstrahlung von 1000 W/m², im dunkelsten Monat) × 0,7 für Wärme, Staub und Leitungsverluste. Ein 100-W-Modul mit 3 Spitzensonnenstunden ergibt so etwa 210 Wh, ein guter Spielraum.

Die Batterie wählen. Rechnen Sie mit einem bis drei trüben Tagen. Bleiakkus halten länger, wenn man sie selten unter die Hälfte entlädt. Lithium-Eisenphosphat-Akkus lassen sich fast ganz nutzen, aber nur mit ihrer eigenen Überwachungselektronik und einem auf Lithium eingestellten Regler; die meisten dürfen unter 0 °C nicht geladen werden. Zwei Tage zu 100 Wh aus einer 12-V-Bleibatterie, die zur Hälfte genutzt wird, verlangen mindestens 33 Ah: Nehmen Sie 40 Ah.

Modul, Laderegler und Batterie, mit der Sicherung im Pluskabel direkt an der Batterie.

Einen Laderegler einbauen. Schließen Sie ein Modul nie direkt an eine Batterie an. Der Regler drosselt das Laden, damit die Batterie nie überladen wird, hält sie dann voll, und Verbraucher an seinem Lastausgang werden abgeschaltet, bevor sie leer ist. Ein einfacher PWM-Regler sollte für mindestens das 1,25-Fache des Kurzschlussstroms des Moduls ausgelegt sein. Bei einem MPPT-Regler vergleichen Sie seine Grenzwerte für Spannung, Strom und Leistung mit dem Datenblatt des Moduls; die Leerlaufspannung steigt bei Kälte.

Sicherung und Kabel. Setzen Sie eine für Gleichstrom zugelassene Sicherung ins Pluskabel, unmittelbar an der Batterie. Sie muss kleiner bemessen sein als die Belastbarkeit des Kabels, größer als der höchste normale Strom und den sehr hohen Kurzschlussstrom einer Batterie sicher trennen können. Bei 10 A verliert ein 5 m entferntes Modul (10 m Kupfer) in einem 6-mm²-Außenkabel etwa 0,3 V; dünnerer Draht verliert mehr.

Montieren und reinigen. Richten Sie das Modul zum Äquator aus, über die Mittagsstunden schattenfrei, für ganzjährige Nutzung etwa um den Breitengrad geneigt. Spülen Sie Staub mit Wasser und einer weichen Bürste ab. Ein Wechselrichter kann die 12 V in Netzspannung umwandeln, die genauso gefährlich ist wie das Stromnetz.

Eine Zelle messen. Messen Sie in der Sonne die Spannung einer kleinen Zelle in der Gleichspannungsstellung eines Multimeters. Stellen Sie dann auf Gleichstrom, stecken Sie das rote Kabel in die 10-A-Buchse und berühren Sie die Anschlüsse der Zelle: Das ist ihr Kurzschlussstrom. Prüfen Sie vorher, dass der auf der Zelle angegebene Strom weit unter der 10-A-Grenze des Messgeräts liegt, und halten Sie die Spitzen nur wenige Sekunden an. Im Schatten bewegt sich die Spannung kaum, der Strom fällt. Stecken Sie das rote Kabel danach zurück in die Spannungsbuchse, und messen Sie so nie den Strom einer Batterie.

Sicherheit. Ein Modul erzeugt Spannung, sobald Licht darauf fällt: Decken Sie es beim Verkabeln ab. Gleichstrom kann einen Lichtbogen halten, wenn ein Stecker unter Last gezogen wird. Für Arbeiten an der Anlage das Modul abdecken, zuerst das Modul trennen, zuletzt die Batterie, und in umgekehrter Reihenfolge wieder anschließen. Ein Kurzschluss an den Batteriepolen bringt Werkzeug zum Schmelzen und löst Brände aus, und gegen einen Schraubenschlüssel quer über beiden Polen hilft keine Sicherung: isoliertes Werkzeug und Polkappen verwenden. Bleiakkus geben beim Laden Wasserstoff ab: lüften, keine Funken, Schutzbrille tragen. Auf dem Dach nur mit Gurt und Anschlagpunkt arbeiten oder Fachleute holen. Alles, was am Stromnetz hängt, auch Wechselrichter, gehört in die Hände einer Elektrofachkraft.

Geschichte und Entwicklung

1839 beleuchtete der 19-jährige Edmond Becquerel mit Silberchlorid beschichtete Elektroden in einer Säure und maß einen schwachen Strom. 1873 bemerkte der englische Ingenieur Willoughby Smith beim Prüfen von Unterseekabeln für den Telegrafen, dass Selen im Licht besser leitet; 1883 baute der Amerikaner Charles Fritts Selenzellen unter einem lichtdurchlässig dünnen Goldblatt. 1905 erklärte Albert Einstein, dass Licht in Paketen kommt, deren Energie von seiner Farbe abhängt.

1940 stellte Russell Ohl in den Bell Labs fest, dass eine Siliziumprobe mit Phosphor auf der einen und Bor auf der anderen Seite im Licht Strom lieferte: der erste pn-Übergang, mit rund 1 % Wirkungsgrad. 1953 suchte sein Kollege Daryl Chapin eine Stromquelle für abgelegene Telefonanlagen und kam mit Selen nur auf 0,5 %. Das dotierte Silizium von Calvin Fuller und Gerald Pearson war weit besser, und die am 25. April 1954 vorgeführte Zelle trieb ein Spielzeug-Riesenrad an.

Vanguard 1, 1958: sechs kleine Solarzellenfelder auf einer Kugel von etwa 16 cm Durchmesser.

Die ersten Siliziumzellen waren für den Alltag viel zu teuer, und ihr erster fester Kunde war die Raumfahrt. Vanguard 1, im März 1958 gestartet, trug sechs kleine Felder mit je 18 Zellen: Sein batteriebetriebener Sender verstummte im Juni 1958, der solarbetriebene sendete bis Mai 1964. Mit dem Wachstum der Fabriken fielen die Modulpreise von etwa 132 Dollar je Watt im Jahr 1975 auf 0,27 Dollar im Jahr 2024 (in Dollar von 2025). Die meisten Zellen entstehen heute aus phosphordotierten Scheiben mit Bor an der Vorderseite. 2025 erzeugten Solarmodule laut Ember (April 2026) 8,7 % des Stroms der Welt.