Frage:

Wieviel Strom produziert eine Solarzelle?

Antwort:

Stimmt es, dass eine Solarzelle maximal 30 Prozent der Sonnenenergie in Strom umwandeln kann? Der prinzipiell erzielbare Wirkungsgrad einer Solarzelle ist wesentlich von ihrer Bauform abhängig. Rund 30 Prozent Effizienz sind tatsächlich das Limit der Ur-Solarzelle aus reinem Silizium. Modernere Konzeptionen arbeiten allerdings bereits deutlich oberhalb dieser historischen Marke. Um die Ursachen der Verluste bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie zu veranschaulichen, sollen im Folgenden die grundlegenden Prozesse im Betrieb einer Solarzelle skizziert werden.

Im Wesentlichen muss eine gute Solarzelle zwei Dinge gewährleisten: Zum einen muss sie in der Lage sein, einen möglichst großen Anteil des einfallenden Sonnenlichts einzusammeln, zum anderen muss sie die dabei entstehende elektrische Energie ausreichend lange in sich speichern, um sie einem Stromkreis mit externem Verbraucher zuführen zu können. Je besser diese beiden Eigenschaften in einer Solarzelle vereint sind, desto höher ist auch ihr Wirkungsgrad. Wie genau laufen diese Prozesse aber eigentlich ab? Und wieso wird bevorzugt die Materialklasse der sogenannten Halbleiter (wie etwa Silizium) eingesetzt? Die Energie des einfallenden Lichtes setzt die Solarzelle in die Anregung eines elektrischen Ladungsträgers, beispielsweise eines Elektrons, um: Der Ladungsträger nimmt die Energie auf und geht in einen Zustand mit höherer Energie über. Die Quantennatur fester Körper bedingt, dass solche Anregungen nicht fließend sondern nur sprunghaft stattfinden können, wie von einer Treppenstufe zur nächsten. Ein Ladungsträger kann also nur bestimmte Energiezustände einnehmen. Die Energien, die zwischen diesen Werten liegen, sind sozusagen verboten. Halbleiter zeichnet aus, dass die Ladungsträger zunächst eine besonders hohe Energiestufe, die sogenannte Bandlücke, überwinden müssen. Diese Bandlücke ist Fluch und Segen zugleich: Einerseits können angeregte Ladungsträger auf ihr ausreichend lange verweilen, um in den Verbraucherstromkreis abgesaugt zu werden. Andererseits können nur die energiereichsten Bestandteile des Sonnenlichts zur Anregung genutzt werden. Für Strahlung, deren Energie nicht ausreicht, um einen Ladungsträger über die Bandlücke zu hieven, ist die Solarzelle unsichtbar. Dies ist eine wichtige Ursache für die Begrenzung des Wirkungsgrades der Solarzelle und hat in Silizium zur Folge, dass lediglich gut die Hälfte der Bestandteile des Sonnenlichts genutzt (absorbiert) werden können.

Die zweite wesentliche Limitierung der Effizienz stammt aus Verlusten der angeregten Ladungsträger: Alle Ladungsträger, die vom Sonnenlicht mehr Energie erhalten als nötig wäre, um die Bandlücke zu überwinden, geben diese überschüssige Anregungsenergie in Form von ungenutzter Wärme an die Solarzelle ab. Wissenschaftler nennen diesen Vorgang Thermalisation. Zusammengenommen beschränken diese beiden Effekte den theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen tatsächlich auf etwa 30 Prozent , das so genannte Shockley-Queisser-Limit. Die besten heutzutage kommerziell erhältlichen Silizium-Module kratzen an der 25-Prozent-Schwelle. Moderne Entwicklungen setzen sowohl am Problem der unvollständigen Absorption der Sonnenstrahlung, als auch an den Thermalisationsverlusten an. Als ein Beispiel unter vielen sei hier die Tandemsolarzelle genannt, die aus mehreren Materialien mit jeweils unterschiedlich großen Bandlücken besteht und damit das theoretische Effizienzlimit auf annähernd 90 Prozent erhöht. Tandems aus der Kombination dreier Materialien erreichen im Labormaßstab bereits etwa 45 Prozent. Die Erforschung photovoltaischer Konzepte und Materialien liefert laufend neue Rekorde und Überraschungen, insbesondere auch auf dem Feld günstiger organischer Solarzellen. Auch im Einsatz ressourcenreicher Elemente, die häufig auf der Erde vorkommen und somit verhältnismäßig billig sind, ist das Ende der Entwicklung nicht abzusehen.

Übrigens: die „ausgereifte“ Technologie der Kohleverstromung in Großkraftwerken arbeitet auch nur mit einem Wirkungsgrad von gut 30 Prozent. Bei Kernenergie ist die Bilanz sogar verheerend negativ, da zwingend berücksichtigt werden muss, dass die zur jahrtausendelangen Endlagerung des Atommülls benötigte Energie alles übersteigt, was irgendein Atomkraftwerk während seiner Lebenszeit zu erzeugen im Stande ist.