Wie funktioniert Solarenergie? – Alles, was Du wissen musst!

Die Sonne ist unser größter natürlicher Energielieferant und bietet unbegrenztes Potenzial für nachhaltige Energiegewinnung. Dank moderner Technologien wie Solarenergie und Solarthermie können wir diese Energie effizient nutzen, um Strom und Wärme zu erzeugen. Aber wie genau funktioniert das?

In diesem Artikel erklären wir Dir, wie Solarenergie funktioniert und wieso Photovoltaik die Schlüsseltechnologie für die Energiewende ist.

So funktioniert Solarenergie – einfach erklärt: 

Die Energie der Sonnenstrahlen entsteht durch Kernfusion im Inneren der Sonne und erreicht die Erde in Form von elektromagnetischer Strahlung. Solaranlagen können diese Energie aufnehmen und in nutzbaren Strom umwandeln. 

Das geschieht über Solarzellen, die meist aus Silizium bestehen: Wenn Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft, lösen die Photonen (Lichtteilchen) Elektronen im Silizium aus. Diese freien Elektronen erzeugen einen elektrischen Strom, der durch Drähte abgeführt und dann in den Haushalt oder in das Stromnetz eingespeist werden kann.

Der photovoltaische Effekt: Wie wird Licht zu Strom?

Zunächst ist es wichtig zu verstehen, dass Solarenergie auf verschiedene Weise genutzt werden kann. Hauptsächlich erfolgt dies durch Solarzellen und Solarthermieanlagen. Solarzellen wandeln die Sonnenstrahlung in elektrischen Strom um, während Solarthermieanlagen diese Energie in Wärme umsetzen.

Eine Solarzelle, auch Photovoltaikzelle (PV-Zelle) genannt, nutzt den photovoltaischen Effekt, um Sonnenenergie in Elektrizität umzuwandeln:

Wenn die Vorderseite der Zelle dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, werden die Elektronen im Inneren angeregt und beginnen sich zu bewegen. Dabei reagieren das Sonnenlicht und der dotierte Halbleiter der Zelle miteinander, wodurch Elektronen freigesetzt werden. Dadurch fließt Strom, der über Metallkontakte an beiden Seiten der Zelle abgeführt werden kann. 

Jede einzelne Zelle erzeugt eine geringe Spannung von etwa 0,5 V. Um eine höhere Spannung zu erreichen, werden die Zellen in Serie geschaltet, wodurch Solarpanels oder -module entstehen. Diese Solarzellen kommen sowohl in kleineren Energiesystemen wie Balkonkraftkraftwerken als auch in größeren Solaranlagen für Hausdächer zum Einsatz. 

Wie sind Solarzellen aufgebaut?

Solarzellen sind die kleinsten Bauteile einer Photovoltaikanlage. Sie bestehen meist aus Silizium, einem Halbleitermaterial, das durch Lichteinstrahlung leitfähig wird. 

Um diese Leitfähigkeit zu erzeugen, besteht eine Solarzelle aus drei Schichten:

1. n-dotierte Schicht: Mit Phosphor versetztes Silizium für negative Ladungsträger (Elektronen).
2. p-dotierte Schicht: Mit Bor versetztes Silizium für positive Ladungsträger (Löcher).
3. Grenzschicht (p-n-Übergang): Hier entsteht ein elektrisches Feld, das die Ladungen separiert und Strom erzeugt.

Welche verschiedenen Arten von Solarzellen gibt es? 

Aktuell gibt es vor allem drei Arten von Solarzellen, die für Privathaushalte relevant sind. Jede mit ihren eigenen Eigenschaften, Vor- und Nachteilen:

1. Monokristalline Solarzellen: Diese bestehen aus einkristallinem Silizium, was zu einem hohen Wirkungsgrad von etwa 20 % führt. Sie sind besonders effizient bei direkter Sonneneinstrahlung, aber aufgrund der aufwändigen Herstellung auch teurer als die Alternativen.
2. Polykristalline Solarzellen: Diese Zellen bestehen aus weniger reinem Silizium und haben einen geringeren Wirkungsgrad von etwa 15 %. Sie sind günstiger und umweltfreundlicher in der Produktion, bieten insgesamt jedoch ein etwas schlechteres Preis-Leistungs-Verhältnis als monokristalline Zellen.
3. Dünnschichtzellen: Diese Zellen bestehen aus amorphem Silizium und anderen Materialien, die auf ein Trägermaterial aufgedampft werden. Sie haben einen niedrigen Wirkungsgrad von nur 5-7 %, sind jedoch flexibel und kostengünstiger in der Produktion, was sie zu einer preiswerten Alternative macht.

Wie funktioniert Solarthermie?

Neben den Solarzellen gibt es auch Solarthermieanlagen, die Sonnenenergie zur Wärmeerzeugung nutzen. In den Anlagen befinden sich Sonnenkollektoren mit einem Absorber, der die Sonnenstrahlen einfängt und in Wärme umwandelt. Diese Wärme wird über eine Trägerflüssigkeit oder ein Gas an einen mit Wasser gefüllten Tank, den sogenannten Solarspeicher, übertragen.

Dort kann die Wärme mithilfe von Wärmetauschern für die Warmwasserbereitung oder Heizung verwendet werden. Solarthermische Kollektoren finden zudem Anwendung bei der thermischen Kühlung.

Welche neuen Entwicklungen gibt es bei der Solarenergie? 

Schon heute ist die Solarenergie eine der kostengünstigsten Energieformen. Der Preis für Solarmodule hat sich innerhalb der letzten 10 Jahre mehr als halbiert. Grund dafür sind vor allem technische Innovationen wie monokristalline Solarmodule und Batteriespeicher. 

Aber auch in Zukunft wird sich der Solarsektor rasant weiterentwickeln: Besonders Hybridlösungen, die Photovoltaik und Solarthermie kombinieren, stehen im Fokus. Diese Systeme nutzen Sonnenenergie doppelt, indem sie Strom erzeugen und gleichzeitig Wärme gewinnen, was den Gesamtwirkungsgrad steigert. 

Zudem gewinnen flexible und transparente Dünnschichtzellen an Bedeutung, da sie neue Anwendungen wie Gebäudefassaden oder tragbare Elektronik ermöglichen. Auch im Bereich der Energiespeicherung gibt es Fortschritte, beispielsweise durch effizientere Speicherbatterien und innovative Ansätze wie thermische Speicherlösungen.

Fazit: Die Solarenergie ist einer der wichtigsten Faktoren für unsere Energiewende 

Die neuesten Fortschritte in der Solarenergie verdeutlichen, wie vielseitig und vielversprechend diese Technologie ist. Trotz ihrer einfachen Funktionsweise können Solarzellen in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt werden, um Energie zu sparen und aktiv zum Klimaschutz beizutragen.
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