Solarzelle

Der Taschenrechner, der seit zwanzig Jahren ohne Batteriewechsel läuft, die Gartenleuchte, die abends von selbst angeht, die Wetterstation auf dem Balkon und die Module auf dem Hausdach: Sie alle gewinnen ihre Energie aus Solarzellen. Eine Solarzelle ist im Kern eine großflächige Fotodiode, die nicht zum Messen, sondern zur Energiegewinnung gebaut ist. Sie liefert pro Zelle nur etwa ein halbes Volt, dafür aber viel Strom – bei voller Sonne rund 40 mA je Quadratzentimeter.

Aufbau und Funktionsweise

Die verbreitete Siliziumsolarzelle ist eine dünne Scheibe (Wafer) aus p-dotiertem Silizium, gut 0,1 mm dick. An der Oberseite ist eine hauchdünne n-Schicht eindotiert. So entsteht ein großflächiger pn-Übergang direkt unter der Oberfläche, mit einer Raumladungszone und ihrem eingebauten elektrischen Feld.

Licht dringt in den Kristall ein, und jedes Lichtteilchen mit genügend Energie erzeugt ein Paar aus Elektron und Loch. Das Feld am Übergang trennt die Paare: Elektronen wandern zur n-Seite nach oben, Löcher zur p-Seite nach unten. Oben sammelt sich also negative, unten positive Ladung – die Zelle wird zur Spannungsquelle. Schließt du einen Verbraucher an, fließt der Strom außen von der Rückseite (Plus) über den Verbraucher zur Vorderseite (Minus).

Damit möglichst viel Licht in die Zelle gelangt, trägt die Oberfläche eine Antireflexschicht, die der Zelle ihre blaue oder fast schwarze Farbe gibt. Die Vorderseite kontaktieren schmale Silberfinger, die wenig Fläche abschatten; die Rückseite ist vollflächig metallisiert. Wie viel Energie ein Lichtteilchen trägt und warum Silizium nur einen Teil des Sonnenspektrums nutzen kann, erklärt Optoelektronik.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen nach IEC 60617 ist das einer galvanischen Zelle – langer dünner Strich für Plus, kurzer dicker Strich für Minus – mit zwei Pfeilen, die auf die Zelle zeigen. Ein Modul aus mehreren Zellen wird oft als ein Symbol mit der Angabe der Spannung gezeichnet. Mehr dazu unter Schaltzeichen.

Kennlinie und Kennwerte

Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle verläuft fast waagerecht auf Höhe des Kurzschlussstroms und knickt dann zur Leerlaufspannung hin steil ab. Dazwischen liegt ein Punkt, an dem das Produkt aus Spannung und Strom am größten ist: der Punkt maximaler Leistung, kurz MPP (Maximum Power Point).

Die wichtigsten Kennwerte gelten bei Standard-Testbedingungen (STC): 1000 W/m² Bestrahlung, 25 °C Zelltemperatur, genormtes Sonnenspektrum.

Zwei Zusammenhänge solltest du kennen. Der Strom wächst proportional mit dem Licht – bei halber Sonne halber Strom. Die Spannung dagegen ändert sich nur wenig mit dem Licht; auch bei trübem Himmel liegt sie noch nahe am Nennwert. Mit der Temperatur ist es umgekehrt: Wärme senkt die Spannung um etwa 2 mV/K je Zelle (siehe Temperaturverhalten von Halbleitern), sodass eine heiße Zelle im Sommer weniger leistet als eine kalte in der Frühlingssonne.

Bauformen

• Monokristalline Siliziumzellen sind heute der Standard, fast schwarz, mit Wirkungsgraden über 20 %. Die früher häufigen bläulich gesprenkelten polykristallinen Zellen sind weitgehend verschwunden.
• Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium, CdTe oder CIGS werden auf Glas oder Folie abgeschieden. Amorphes Silizium arbeitet gut bei schwachem Kunstlicht und steckt deshalb in Taschenrechnern und Uhren.
• Kleine Module für Elektronikprojekte fassen einige Zellen in Epoxid oder unter Glas, etwa 5 V oder 6 V mit 0,5–5 W.
• Dachmodule schalten 108 bis 144 Halbzellen in Reihe und liefern 400 W und mehr bei Leerlaufspannungen um 40–50 V.
• Mehrfachzellen aus Galliumarsenid und verwandten Materialien erreichen über 30 % Wirkungsgrad und versorgen Satelliten.

Module, Teilverschattung und Bypassdioden

Eine einzelne Zelle liefert zu wenig Spannung. Deshalb schaltet man viele in Reihe: Die Spannungen addieren sich, der Strom bleibt gleich. Ein klassisches „12-V-Modul“ hat 36 Zellen und liefert etwa 21 V im Leerlauf und rund 18 V im MPP – genug, um einen 12-V-Akku auch bei Wärme noch zu laden.

Die Reihenschaltung hat einen Haken: Der Strom wird von der schwächsten Zelle bestimmt. Fällt ein Blatt auf eine Zelle, sinkt der Strom des ganzen Strangs. Schlimmer noch: Die verschattete Zelle wird von den anderen in Sperrrichtung betrieben und heizt sich auf (Hotspot). Deshalb überbrücken Bypassdioden – meist Schottky-Dioden in der Anschlussdose – jeweils eine Gruppe von Zellen. Ist die Gruppe verschattet, leitet die Diode den Strom an ihr vorbei.

Typische Schaltungen

Eine Solarzelle kann eine Last direkt versorgen, wenn diese nur bei Licht arbeiten muss – etwa ein kleiner Lüfter oder ein Taschenrechner. Meist aber lädt sie einen Speicher:

• Akku mit Schottky-Diode: Die einfachste Schaltung legt ein Modul über eine Diode an einen Akku. Die Diode verhindert, dass sich der Akku nachts über das Modul entlädt. Das geht nur bei unempfindlichen Akkus und wenn der Modulstrom klein gegenüber der Akkukapazität ist; sonst brauchst du eine Überladeabschaltung.
• Laderegler: Für Lithium-Akkus ist ein Laderegler Pflicht (siehe Akku laden). Spezielle Solar-Lade-ICs halten das Modul nahe am MPP.
• Energy Harvesting: Kleine Zellen mit einem Wandler-IC laden einen Superkondensator oder Akku und versorgen Sensoren, die nur alle paar Minuten funken.

Die Akkugröße für eine bestimmte Laufzeit rechnest du mit dem Rechner nach:

Auswahl und Praxistipps

Rechne die Energie für den ungünstigsten Monat, nicht für den Sommer, und plane einen Akku für mehrere dunkle Tage ein. Wähle die Modulspannung so, dass sie im MPP über der Ladeschlussspannung des Akkus plus Diode und Regler liegt, auch wenn das Modul heiß ist.

Häufige Fehler:

• Mit der Leerlaufspannung geplant: Unter Last sinkt die Spannung auf den MPP-Wert oder darunter. Ein 6-V-Modul lädt einen 6-V-Bleiakku nicht.
• Keine Rückstromdiode: Nachts entlädt sich der Akku langsam über das Modul.
• Verschattung unterschätzt: Schon ein Ast über wenigen Zellen halbiert den Ertrag eines Strangs.
• Hinter Glas getestet: Fensterglas und schräger Lichteinfall kosten viel; Wärmeschutzverglasung lässt nur einen Teil des Lichts durch.
• Kunstlicht überschätzt: Ein Büro mit 500 lux liefert rund ein Zweihundertstel der vollen Sonne. Kristalline Zellen bringen dort fast nichts, amorphe etwas mehr.

Selbsttest