Eine Solarzelle, auch Photovoltaikzelle genannt, ist die Bezeichnung für ein Energieerfassungsgerät. Es absorbiert Sonnenlicht und wandelt es durch den photovoltaischen Effekt in Strom um. Diese Zellen haben sich seit ihrer Entstehung dramatisch weiterentwickelt und in den letzten Jahren wurden besonders große Fortschritte in dieser Technologie gemacht.
Am einfachsten funktioniert eine Solarzelle, indem sie Sonnenlicht absorbiert. Die Photonen des Lichts laufen in das Panel und werden von einer Art halbleitendem Material absorbiert. Die meisten heutigen sind aus Silizium, obwohl mit anderen Substanzen als Halbleiter experimentiert wird, um sie kostengünstiger und umweltfreundlicher zu machen. Elektronen werden dann von ihrem Wirtsatom befreit und bewegen sich frei als Elektrizität. Von der Solarzelle durchläuft dieser Strom dann ein größeres Feld, wo er in Gleichstrom (DC) umgewandelt wird, der später in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden kann.
Der photovoltaische Effekt wurde erstmals im frühen 19. Jahrhundert vorgestellt. In den 1880er Jahren wurde die Idee bei der Entwicklung der ersten Solarzelle mit Selen als Halbleiter praktisch umgesetzt. Die erste hatte einen Wirkungsgrad von etwa 1%, was bedeutet, dass sie 1% der gesamten Sonnenenergie, die auf die Zelle traf, einfangen konnte.
1954 entdeckten Bell Labs, dass Silizium leicht modifiziert werden kann, um es unglaublich lichtempfindlich zu machen. Dies führte zur modernen Revolution bei Photovoltaikzellen, wobei die frühen Siliziumzellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 6% arbeiteten. 1958 wurde mit ihnen ein Satellit, die Vanguard 1, als Energiequelle gestartet. Dies ermöglichte es dem Satelliten, auf unbestimmte Zeit in einer geosynchronen Umlaufbahn zu bleiben, da er nicht auf eine begrenzte Menge an Treibstoff angewiesen war.
In den 1970er und 1980er Jahren wurde die Solartechnologie immer besser. Bis 1988 wurden solche mit einem Wirkungsgrad von 17 % in Massenproduktion hergestellt, und am Ende des Jahrzehnts hatten diejenigen, die sowohl aus Galliumarsenid als auch aus Silizium hergestellt wurden, einen Wirkungsgrad von 20 % überschritten. In den späten 1980er Jahren tauchte auch eine neue Art von Technologie auf, bei der Linsen verwendet wurden, um das Sonnenlicht auf eine einzelne Zelle zu konzentrieren. Diese hohe Energiedichte ermöglichte damals Wirkungsgrade von bis zu 37 %.
Es gibt drei Hauptklassifikationen von Solarzellen, die aufgrund des Aufkommens der Technologien als „Generationen“ bezeichnet werden. Eine Zelle der ersten Generation ist das, was die meisten Leute denken, wenn sie an diese Technologie denken. Sie machen rund 90 % der Solarzellen weltweit aus und haben einen theoretischen maximalen Wirkungsgrad von rund 33 %.
Eine Solarzelle der zweiten Generation soll wesentlich kostengünstiger und einfacher herzustellen sein. Unter Verwendung von Technologien wie Galvanisieren und Aufdampfen können solche der zweiten Generation relativ kostengünstig in Massen hergestellt werden. Sie sind normalerweise nur ein dünner Film aus einem Material wie amorphem Silizium oder Cadmiumtellurid, der in einer sehr dünnen Schicht auf ein Material wie Keramik oder Glas aufgetragen wird.
Zellen der dritten Generation übernehmen die Technologie der zweiten Generation und versuchen, ihren Wirkungsgrad stark zu verbessern. Dies sind die neuesten Technologien, die neue Konzentrationsmethoden ausprobieren, zusätzliche Wärme verwenden, um die erzeugte Spannung zu erhöhen, und andere Technologien, um auf angestrebte Wirkungsgrade im Bereich von 30 bis 60 % hinzuarbeiten.