Diese ausgeklügelte Technologie nutzt den photovoltaischen Effekt, ein physikalisches Phänomen, bei dem Sonnenphotonen auf die Oberfläche eines Halbleiters treffen, was zur Freisetzung von Elektronen und zur Erzeugung eines nutzbaren elektrischen Stroms führt.

Der photovoltaische Effekt ist ein grundlegendes Phänomen der Physik, das die Grundlage für die Funktionsweise von Photovoltaikzellen bildet. Es tritt auf, wenn Licht in Form von Photonen auf die Oberfläche eines Halbleitermaterials trifft, wie z. B. das in Solarzellen verwendete Silizium. Wenn Photonen mit dem Material wechselwirken, übertragen sie ihre Energie auf die Elektronen in der Halbleiterstruktur.

Die Energie der Photonen regt die Elektronen an, wodurch sie aus ihren atomaren Umlaufbahnen befreit werden. Diese freigesetzten Elektronen nehmen dann kinetische Energie auf und bewegen sich durch das Material. Es ist diese Bewegung von Elektronen, die einen elektrischen Strom erzeugt. In ihrem angeregten Zustand neigen Elektronen jedoch dazu, mit Löchern (den Lücken, die fehlende Elektronen hinterlassen) im Material zu rekombinieren, was den photovoltaischen Effekt aufheben könnte.

Um diese unerwünschte Rekombination zu vermeiden, sind Photovoltaikzellen so konzipiert, dass sie einen PN-Übergang erzeugen. In einer typischen Solarzelle ist die obere Schicht des Halbleitermaterials mit Atomen dotiert, die überschüssige Elektronen aufweisen (n-Typ), während die untere Schicht mit Atomen mit überschüssigen Löchern dotiert ist (p-Typ). Diese Konfiguration erzeugt ein elektrisches Feld, das die freigesetzten Elektronen zur n-Typ-Schicht und die Löcher zur p-Typ-Schicht leitet.

Infolgedessen werden die durch den photovoltaischen Effekt freigesetzten Elektronen auf der n-Typ-Oberfläche der photovoltaischen Zelle gesammelt, während die Löcher auf der p-Typ-Oberfläche gesammelt werden. Durch diese Trennung der Ladungen entsteht ein elektrisches Potential zwischen den beiden Schichten, das beim Auftreffen von Sonnenlicht auf die Zelle einen konstanten elektrischen Strom erzeugt. Dieser Strom kann dann als Stromquelle für den Betrieb von Elektrogeräten verwendet oder für die spätere Verwendung in Batterien gespeichert werden. In ihrem angeregten Zustand im Leitungsband können sich diese Elektronen frei durch das Material bewegen, und es ist diese Bewegung des Elektrons, die einen elektrischen Strom in der Zelle erzeugt.

Diese Zellen bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall, was ihnen eine gleichmäßige Struktur und einen hohen Wirkungsgrad verleiht.
Die einzigartige Kristallausrichtung ermöglicht eine bessere Erfassung von Sonnenphotonen, was zu einem hohen Wirkungsgrad führt.
Der Herstellungsprozess ist jedoch komplexer, was zu höheren Produktionskosten führt.

Diese Zellen bestehen aus Siliziumblöcken, die aus mehreren Kristallen bestehen, und sind einfacher und billiger herzustellen als monokristalline.
Die Grenzen zwischen den Kristallen mögen die Effizienz leicht verringern, aber der technische Fortschritt hat ihre Leistung im Laufe der Zeit verbessert.
Sie bieten eine gute Balance zwischen Kosten, Effizienz und Nachhaltigkeit.

Diese Zellen werden hergestellt, indem eine dünne Schicht aus Halbleitermaterial direkt auf ein Substrat wie Glas oder Metall aufgetragen wird.
Sie sind leichter und flexibler als Siliziumzellen, wodurch sie in verschiedene Anwendungen, wie z. B. weiche Solardächer, integriert werden können.
Der Wirkungsgrad ist in der Regel geringer als der von Siliziumzellen, aber der technologische Fortschritt zielt darauf ab, ihre Effizienz zu verbessern.

Diese Zellen kombinieren verschiedene Schichten von Halbleitermaterialien und bilden so eine Heterojunction-Grenzfläche.
Die Grenzfläche fördert eine effiziente Ladungstrennung und reduziert Verluste durch Elektronen- und Lochrekombination.
HIT-Zellen haben gute Erträge und eine bessere Leistung bei hohen Temperaturen.

Perowskit-basierte Zellen sind relativ neu und haben aufgrund ihrer einfachen Herstellung und ihres hohen Effizienzpotenzials großes Interesse geweckt.
Perowskit-Materialien können aus flüssigen Lösungen abgeschieden werden, was die Tür zu kostengünstigeren Herstellungsprozessen öffnet.
Langfristige Nachhaltigkeit und Stabilität unter verschiedenen Bedingungen bleiben jedoch Herausforderungen. Die meisten kommerziellen PV-Zellen sind Single-Junction-Zellen, aber auch Multi-Junction-PV-Zellen wurden entwickelt, um höhere Wirkungsgrade bei höheren Kosten zu erzielen.

Monokristallin : Diese Zellen bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall und bieten aufgrund ihrer homogenen Struktur einen hohen Wirkungsgrad. Ihr Herstellungsprozess ist jedoch komplex und teuer.
Polykristallin : Diese Zellen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen und sind kostengünstiger herzustellen als monokristalline. Ihre Wirksamkeit ist jedoch aufgrund der Grenzen zwischen den Kristallen etwas geringer.

Cadmiumtellurid (CdTe) : Diese Zellen verwenden Cadmiumtellurid als Halbleitermaterial. Sie sind kostengünstig in der Herstellung und werden häufig in großen Anwendungen eingesetzt. Cadmium ist jedoch giftig, was Umweltbedenken aufwirft.
Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) : Diese Zellen bestehen aus Schichten aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen. Sie bieten einen hohen Wirkungsgrad und können auf flexiblen Oberflächen hergestellt werden, wodurch sie für bestimmte Spezialanwendungen geeignet sind.

Diese Zellen verwenden organische Polymere oder kohlenstoffbasierte Materialien, um Licht in Strom umzuwandeln. Sie sind in der Regel leicht und flexibel, aber ihre Wirksamkeit ist oft geringer als die anderer Zelltypen.

Perowskit-Zellen sind relativ neu, stoßen aber aufgrund ihres hohen Effizienzpotenzials und potenziell reduzierter Produktionskosten auf großes Interesse. Sie verwenden ein kristallines Material namens Perowskit, um Licht einzufangen.