Solarzelle, Solarmodul und Solarkollektor: Was sind die Unterschiede?
© Franz Metelec / Fotolia.comMit der Sonne Strom erzeugen
Funktionsweise einer Photovoltaikanlage© guukaa / Fotolia.com
Eine Solarzelle wandelt die Strahlungsenergie von Sonnenlicht in elektrische Energie um. Dabei wird der photoelektrische Effekt (Wechselwirkung von Photonen – auch als Lichtteilchen bezeichnet – mit Materie) ausgenutzt. Solarzellen werden als Bauelemente für Photovoltaikanlagen montiert.
Werden mehrere Solarzellen miteinander verbunden und in Reihe oder parallel geschaltet, entsteht ein Solarmodul. Es gibt vorgefertigte, leichte Dünnschichtmodule sowie mono- und polykristalline Solarmodule. Da bei kristallinen Modulen die Herstellung aufwendiger ist, sind sie verglichen mit Dünnschichtmodulen teurer. Solarmodule ermöglichen das Erzeugen elektrischer Energie mit einer Photovoltaikanlage.
Solarmodule schützen die Solarzellen wirksam vor Witterungseinflüssen. Neben starren Solarmodulen, bei denen die auf einen Metallrahmen montierten Solarzellen mit einer Glasscheibe abgedeckt sind, gibt es auch flexible Solarmodule aus organischen Materialien. Alle für eine Photovoltaikanlage genutzten Solarmodule zusammen werden oft als Solargenerator bezeichnet.
Was leisten verschiedene Solarkollektoren?
Solarkollektoren nutzen die thermische Energie der Sonne, um sie als Wärmeenergie nutzbar zu machen. Solarkollektoren sind das Kernstück solarthermischer Anlagen zur Erwärmung von Brauchwasser oder zur Heizungsunterstützung. Eine Ausnahme bilden die Hybridkollektoren, die sowohl Strom erzeugen als auch Wärmenergie bereitstellen und somit Photovoltaik und Solarthermie in einem einzigen Bauteil miteinander verbinden.
Die Funktionsweise von Solarzellen
Mithilfe von Solarzellen soll elektrischer Strom – also ein Fluss negativ geladener Elektronen – produziert werden. Sonnenstrahlen lassen sich in elektrischen Strom umwandeln, weil das Sonnenlicht unzählige Photonen als Träger von Energie enthält. Sobald Photonen auf einen Halbleiter (wie z.B. Silizium) treffen, werden negativ geladene Elektronen freigesetzt. Für die Beschichtung der meisten Solarzellen wird Silizium verwendet.
In einer Solarzelle bewegen sich Elektronen mit unterschiedlicher Ladung. © BRN-Pixel/ fotolia.com
Die Solarzelle ist so gestaltet, dass ein Teil der Elektronen gebunden wird, andere jedoch frei beweglich bleiben. Der Stromfluss wird provoziert, indem beide Seiten der Halbleiterfläche absichtlich verunreinigt werden (z.B. eine mit Bor, die andere mit Phosphor). Die zum Verunreinigen benutzten, chemischen Elemente verfügen über eine unterschiedliche Anzahl von Elektronen, weshalb die negativ geladenen Elektronen zur einen, die positiv geladenen „Zwischenräume“ jedoch zur anderen Seite der Fläche wandern. Prinzipiell ziehen positive und negative Ladungen einander an. Die zwischen den beiden Flächen der Solarzelle liegende Schicht grenzt jedoch beide Ladungen voneinander ab. Deshalb wird sie auch als Grenzschicht bezeichnet. Wird nun der Fluss der Elektronen über einen externen Stromkreis ermöglicht, geben sie dabei elektrische Energie ab. Auf diese Weise wird in der Solarzelle die Energie der Photonen in elektrischen Strom umgewandelt.
Wie funktionieren Solarkollektoren?
Entscheidend für die Energieumwandlung im Solarkollektor ist der Absorber. Die Fläche des Solarabsorbers besteht meist aus Kupfer- oder Aluminiumblech. Diese Bleche werden in einem speziellen Verfahren (Gasphasenabscheidung oder Kathodenzerstäubung) beschichtet, damit möglichst viel Sonnenlicht aufgenommen (absorbiert) werden kann und möglichst wenig Wärmeenergie verloren geht. Ein gewisser Wärmeverlust ist jedoch unvermeidbar, weshalb der Absorber zusätzlich mit einer Wärmedämmung versehen wird. Mithilfe des Absorbers wird im Solarkollektor die thermische Energie der auftreffenden Sonnenstrahlen aufgenommen und auf ein Medium übertragen.
Mit Hilfe der Sonne warmes Wasser erzeugen und speichern. © Berliner Energieagentur
Sonnenwärme übertragen und speichern
Je nach Typ des Sonnenkollektors können Wasser, ein Gemisch aus Wasser und dem Frostschutzmittel Glykol oder auch Luft zur Wärmeübertragung genutzt werden. Der Wärmeträger zirkuliert in einem Rohrsystem, das als Kreislauf vom Solarkollektor zu einem Wärmespeicher und von dort zurück zum Kollektor führt. Auf diesem Weg gibt der Wärmeträger die im Solarkollektor gewonnene Wärmeenergie über einen Wärmetauscher an den Wärmespeicher ab. Hier kann die Energie sofort zur Warmwasseraufbereitung oder zur Unterstützung des Heizsystems genutzt oder bis zur Entnahme gespeichert werden.
