Wie funktioniert Photovoltaik? Einfach erklärt für Einsteiger

Photovoltaik wandelt Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Kein Dampf, keine Turbine, keine beweglichen Teile. Ein Solarmodul liegt in der Sonne, und aus der Steckdose kommt Strom. Was dazwischen passiert, ist faszinierend und lässt sich auch ohne Physikstudium verstehen.

TL;DR

• Sonnenlicht löst in Silizium-Solarzellen Elektronen aus ihren Bindungen - das ist der photovoltaische Effekt
• Eine Solarzelle erzeugt etwa 0,5 bis 0,7 Volt Gleichstrom, daher werden viele Zellen in einem Modul in Reihe geschaltet
• Monokristalline Module erreichen 2026 kommerziell 20 bis 24 % Wirkungsgrad, Spitzenmodule bis 24,8 %
• Vom Modul kommt Gleichstrom, der Wechselrichter macht daraus netztauglichen Wechselstrom mit 230 V und 50 Hz
• Auch bei bedecktem Himmel produzieren Module Strom, allerdings deutlich weniger als bei direkter Sonneneinstrahlung

Was Licht eigentlich ist und warum Solarzellen es nutzen können

Um zu verstehen, wie Photovoltaik funktioniert, musst du eine Sache über Licht wissen: Es besteht aus winzigen Energiepaketen, den Photonen. Jedes Photon trägt eine bestimmte Menge Energie, die von der Wellenlänge abhängt. Blaues Licht hat energiereichere Photonen als rotes Licht, und Infrarotstrahlung hat noch weniger Energie pro Photon.

Wenn ein Photon auf bestimmte Materialien trifft, kann es seine Energie an ein Elektron abgeben und dieses aus seiner Bindung im Kristallgitter lösen. Das Elektron ist dann frei beweglich, und genau diese Bewegung freier Elektronen ist elektrischer Strom. Das Ganze nennt sich photovoltaischer Effekt, und den hat der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel schon 1839 entdeckt, lange bevor irgendjemand an Solarmodule auf dem Dach dachte.

Nicht jedes Material kann das. Du kannst eine Holzplatte in die Sonne legen und sie wird warm, aber Strom erzeugt sie keinen. Was du brauchst, ist ein Halbleiter, und der mit Abstand gebräuchlichste ist Silizium. Das ist kein exotischer Stoff - Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste. Sand besteht im Wesentlichen daraus.

Der Aufbau einer Solarzelle

Eine Solarzelle ist ein Sandwich aus verschiedenen Schichten, jede mit einer bestimmten Aufgabe. Lass uns das von innen nach außen durchgehen.

Das Herzstück: Zwei Siliziumschichten

Der Kern jeder kristallinen Solarzelle besteht aus zwei Schichten Silizium, die unterschiedlich "verunreinigt" wurden. Dieses gezielte Verunreinigen heißt Dotierung und ist der entscheidende Trick, der aus einem unauffälligen Halbmetall eine Stromquelle macht.

Die untere, dickere Schicht (etwa 0,6 mm) ist mit Bor dotiert. Bor hat nur drei Außenelektronen, während Silizium vier hat. Wo ein Bor-Atom im Siliziumgitter sitzt, fehlt also ein Elektron. Diese Fehlstellen nennen Physiker "Löcher", und weil die Schicht einen Mangel an negativen Ladungsträgern hat, heißt sie p-Schicht (p für positiv).

Die obere Schicht ist mit Phosphor dotiert. Phosphor hat fünf Außenelektronen, also eins mehr als Silizium. Wo ein Phosphor-Atom sitzt, ist ein Elektron zu viel. Diese Schicht hat einen Überschuss an negativen Ladungsträgern und heißt n-Schicht (n für negativ). Sie ist viel dünner, nur etwa 0,001 mm, damit möglichst viel Licht bis zur Grenzschicht vordringt.

Der p-n-Übergang: Wo die Magie passiert

An der Grenzfläche zwischen p-Schicht und n-Schicht passiert etwas Entscheidendes. Die überschüssigen Elektronen der n-Schicht wandern in Richtung p-Schicht und besetzen dort die Löcher. Dadurch entsteht an der Grenzfläche ein elektrisches Feld, das wie eine unsichtbare Barriere wirkt. Physiker nennen diese Zone Raumladungszone oder Sperrschicht, und sie ist nur wenige Mikrometer dünn.

Dieses elektrische Feld ist der Motor der ganzen Solarzelle. Es sorgt dafür, dass freigesetzte Elektronen in eine Richtung geschoben werden und Löcher in die andere. Ohne dieses Feld würden die vom Licht befreiten Elektronen einfach ziellos umherwandern und sofort wieder eingefangen werden. Kein Strom.

Was passiert, wenn Licht einfällt

Jetzt trifft ein Photon auf die Solarzelle. Es durchdringt die dünne n-Schicht und erreicht die Raumladungszone. Wenn seine Energie groß genug ist (bei Silizium mindestens 1,1 Elektronenvolt, was ungefähr dem nahen Infrarot entspricht), löst es ein Elektron aus dem Kristallgitter. Zurück bleibt ein Loch.

Das elektrische Feld der Raumladungszone schiebt das freigesetzte Elektron zur n-Schicht und das Loch zur p-Schicht. Die n-Schicht wird dadurch noch negativer geladen, die p-Schicht noch positiver. Wenn du jetzt eine Leitung zwischen beiden Schichten anschließt, fließen die Elektronen durch diese Leitung von der n-Schicht zur p-Schicht - und genau das ist elektrischer Strom.

Pro Zelle entsteht dabei eine Spannung von etwa 0,5 bis 0,7 Volt. Das ist nicht viel, deshalb werden in einem typischen Solarmodul 60 bis 72 Zellen (bei Halbzellen-Technologie 120 bis 144 Halbzellen) in Reihe geschaltet. So addieren sich die Spannungen auf die üblichen 30 bis 50 Volt Modulspannung.

Vom Silizium zum fertigen Modul

Eine einzelne Solarzelle ist ein fragiles Ding. Sie ist dünn, brüchig und mag weder Regen noch Hagel. Damit sie 25 bis 30 Jahre auf deinem Balkon überlebt, wird sie in ein robustes Gehäuse verpackt.

Der Aufbau eines typischen Solarmoduls

Von vorn nach hinten: Zuerst kommt eine Schicht gehärtetes Glas (etwa 3 bis 4 mm dick), das transparent für Sonnenlicht ist, aber Hagel, Regen und mechanische Belastungen abhält. Darunter liegt eine Schicht EVA-Folie (Ethylen-Vinylacetat), die als Kleber und Feuchtigkeitsschutz dient. Dann kommen die eigentlichen Solarzellen, verbunden durch dünne Leiterbahnen aus Kupfer oder Aluminium. Unter den Zellen folgt eine weitere EVA-Schicht und schließlich die Rückseitenfolie oder bei bifazialen Modulen eine zweite Glasscheibe.

Das Ganze wird in einem Aluminiumrahmen eingefasst, der für Stabilität sorgt und die Befestigung an Halterungen ermöglicht. Auf der Rückseite sitzt die Anschlussdose mit den MC4-Steckern, über die das Modul mit dem Wechselrichter verbunden wird.

Monokristallin, polykristallin und Dünnschicht

Nicht alle Solarzellen sind gleich. Der wichtigste Unterschied liegt in der Kristallstruktur des Siliziums.

Monokristalline Zellen bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall. Du erkennst sie an der gleichmäßig schwarzen bis dunkelgrauen Oberfläche. Die einheitliche Kristallstruktur ermöglicht eine besonders effiziente Ladungstrennung, weshalb monokristalline Module die höchsten Wirkungsgrade erreichen. Kommerziell liegen sie 2026 bei 20 bis 24 %, Spitzenmodelle wie das Aiko Neostar erreichen 24,8 %. Fast alle Balkonkraftwerk-Module auf dem Markt sind monokristallin.

Polykristalline Zellen bestehen aus vielen kleinen Siliziumkristallen, die in unterschiedliche Richtungen orientiert sind. An den Grenzen zwischen den Kristallen geht Energie verloren, deshalb liegt der Wirkungsgrad niedriger (15 bis 18 %). Du erkennst sie am typischen bläulichen, leicht schillernden Look. Für Balkonkraftwerke spielen sie 2025/2026 praktisch keine Rolle mehr, weil monokristalline Module bei kaum höherem Preis deutlich mehr Leistung pro Fläche liefern.

Dünnschicht-Zellen sind eine ganz andere Technologie: Statt aus Siliziumscheiben (Wafern) werden sie als hauchdünne Halbleiterschichten auf Glas oder Folie aufgetragen. Sie sind leichter und flexibler, haben aber geringere Wirkungsgrade (10 bis 14 % kommerziell). Im Balkonkraftwerk-Bereich sind sie Nischenprodukte, zum Beispiel als flexible Module für gewölbte Oberflächen.

Moderne Zelltechnologien: PERC, TOPCon und HJT

Die Grundphysik ist seit Becquerels Zeiten dieselbe, aber die Ingenieurskunst hat sich dramatisch weiterentwickelt. Hier die drei Zelltechnologien, die 2025/2026 den Markt dominieren.

PERC (Passivated Emitter and Rear Cell)

PERC war der Standard der letzten Jahre und ist immer noch in vielen Balkonkraftwerk-Modulen verbaut. Die Idee: Eine zusätzliche Schicht auf der Rückseite der Zelle reflektiert Photonen, die ungenutzt durch die Zelle gewandert sind, zurück in die aktive Schicht. Dadurch werden mehr Photonen genutzt und der Wirkungsgrad steigt. PERC-Module erreichen kommerziell 20 bis 22 %.

TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)

TOPCon ist die aktuell aufstrebende Technologie und löst PERC zunehmend ab. Eine ultradünne Tunneloxidschicht auf der Rückseite verbessert den Elektronentransport und reduziert Verluste an der Kontaktfläche. TOPCon-Zellen erreichen kommerziell 22 bis 24 % und bieten ein besseres Schwachlichtverhalten, also mehr Ertrag bei bedecktem Himmel und in den Morgen- und Abendstunden. Viele der 2026 verkauften Balkonkraftwerk-Module nutzen bereits TOPCon.

HJT (Heterojunction Technology)

HJT kombiniert kristallines Silizium mit amorphem (nicht-kristallinem) Silizium. Die amorphen Schichten auf beiden Seiten der kristallinen Zelle passivieren die Oberfläche besonders gut, was zu hohen Wirkungsgraden (bis 24 % kommerziell) und einem hervorragenden Temperaturverhalten führt. Solarzellen verlieren bei Hitze an Leistung, und HJT-Zellen verlieren weniger als PERC oder TOPCon. Der Nachteil: Die Herstellung ist aufwendiger und teurer, weshalb HJT-Module im Balkonkraftwerk-Bereich noch eher in der Premiumklasse zu finden sind.

Perowskit-Tandem: Der Blick in die Zukunft

Über Perowskit-Tandemzellen wird viel geschrieben, und sie sind tatsächlich spannend. Die Idee: Eine Perowskitschicht fängt den kurzwelligen (blauen) Teil des Sonnenlichts ab, eine Siliziumschicht darunter den langwelligen (roten) Teil. Im Labor erreichen solche Tandemzellen bereits über 30 % Wirkungsgrad. Für den Markt sind sie aber noch nicht reif - Haltbarkeit und Feuchtigkeitsempfindlichkeit sind noch Baustellen. Marktreife wird frühestens gegen 2030 erwartet.

Warum der Wirkungsgrad nicht alles ist

Wenn du dich durch Datenblätter von Solarmodulen klickst, stolperst du ständig über den Wirkungsgrad. 21,5 %, 23,1 %, 24,8 % - je höher, desto besser, oder? Im Prinzip ja, aber der Wirkungsgrad allein sagt noch nicht, wie viel Strom dein Balkonkraftwerk tatsächlich produziert.

Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel Prozent der auf die Modulfläche treffenden Sonnenenergie in Strom umgewandelt wird. Bei 1.000 W/m² Einstrahlung (Standard-Testbedingung, kurz STC) erzeugt ein Modul mit 21 % Wirkungsgrad also 210 W pro Quadratmeter. Klingt eindeutig, aber in der Praxis erreichst du diese STC-Bedingungen fast nie. Die tatsächliche Einstrahlung schwankt je nach Jahreszeit, Tageszeit, Bewölkung und Standort massiv.

Was in der Praxis mehr zählt als ein oder zwei Prozentpunkte Wirkungsgrad:

Die Ausrichtung: Ein Modul mit 21 % Wirkungsgrad bei optimaler Südausrichtung und 30 Grad Neigung erzeugt mehr Strom als ein 24-%-Modul, das nach Norden zeigt. Logisch, aber es verdeutlicht den Punkt.

Das Schwachlichtverhalten: Wie gut produziert das Modul bei bedecktem Himmel, in der Dämmerung und im Winter? Hier haben TOPCon- und HJT-Module echte Vorteile gegenüber älteren PERC-Modulen.

Das Temperaturverhalten: Solarzellen liefern bei Hitze weniger Leistung. Der Temperaturkoeffizient gibt an, wie viel Leistung pro Grad Celsius über 25 °C verloren geht. Typische Werte liegen bei -0,3 bis -0,4 % pro Grad. An einem heißen Sommertag mit 40 °C Umgebungstemperatur kann die Zelloberfläche 60 bis 70 °C erreichen, und das Modul verliert dann 10 bis 15 % seiner Nennleistung. HJT-Module haben hier mit etwa -0,26 % pro Grad einen Vorteil.

Von Gleichstrom zu Wechselstrom: Die Rolle des Wechselrichters

Dein Solarmodul liefert Gleichstrom (DC). Dein Hausnetz braucht Wechselstrom (AC) mit exakt 230 Volt und 50 Hertz. Diese Umwandlung übernimmt der Wechselrichter, und er macht noch einiges mehr.

Wie die Umwandlung funktioniert

Im Wechselrichter wird der Gleichstrom elektronisch zerhackt und in eine sinusförmige Wechselspannung umgeformt. Das klingt brutal, ist aber ein hochpräziser Prozess. Moderne Mikrowechselrichter schaffen das mit einem Wirkungsgrad von 95 bis 97 %, das heißt, nur 3 bis 5 % der Energie gehen bei der Umwandlung verloren.

MPPT: Den optimalen Arbeitspunkt finden

Die Leistung einer Solarzelle hängt davon ab, welche Spannung und welchen Strom du ihr "abnimmst". Es gibt genau eine Kombination aus Spannung und Strom, bei der die Leistung maximal ist - den Maximum Power Point (MPP). Dieser Punkt verschiebt sich ständig, je nach Lichteinfall und Temperatur.

Ein guter Wechselrichter hat einen MPPT-Tracker (Maximum Power Point Tracking), der diesen optimalen Punkt mehrmals pro Sekunde sucht und die Entnahme anpasst. Das ist wie ein automatisches Getriebe, das immer den besten Gang einlegt. Ohne MPPT würdest du je nach Situation 10 bis 30 % weniger Ertrag einfahren.

Bei Balkonkraftwerken mit zwei Modulen haben viele Wechselrichter zwei unabhängige MPPT-Eingänge. Das ist wichtig, wenn die Module unterschiedlich verschattet werden, denn so kann jedes Modul an seinem eigenen optimalen Punkt betrieben werden, ohne dass ein verschattetes Modul das andere herunterzieht.

Netzüberwachung und Sicherheit

Der Wechselrichter überwacht ständig das Stromnetz. Er synchronisiert seine Ausgangsfrequenz und -spannung exakt mit dem Netz und schaltet sich innerhalb von Millisekunden ab, wenn das Netz ausfällt. Das ist gesetzlich vorgeschrieben und verhindert, dass dein Balkonkraftwerk Strom in ein abgeschaltetes Netz einspeist, an dem vielleicht gerade ein Elektriker arbeitet. Diese Funktion heißt NA-Schutz (Netz- und Anlagenschutz) und ist in jedem zugelassenen Wechselrichter fest eingebaut.

Wie viel Strom kann Photovoltaik erzeugen?

Die theoretische Obergrenze liegt bei etwa 33,7 % Wirkungsgrad für eine einzelne Siliziumzelle (das sogenannte Shockley-Queisser-Limit). Der Grund: Nicht alle Wellenlängen des Sonnenlichts passen energetisch zu Silizium. Photonen mit zu wenig Energie rutschen durch, ohne ein Elektron zu lösen. Photonen mit zu viel Energie lösen zwar ein Elektron, aber die überschüssige Energie wird als Wärme abgegeben.

In der Praxis kommen weitere Verluste hinzu: Reflexion an der Glasoberfläche, Widerstandsverluste in den Leiterbahnen, Rekombination (Elektronen fallen in ihre Löcher zurück, bevor sie den Stromkreis erreichen) und der bereits erwähnte Temperatureffekt. Deshalb liegen kommerzielle Module bei 20 bis 24 % statt bei 33 %.

Für dein Balkonkraftwerk bedeutet das: Ein Quadratmeter Modulfläche erzeugt unter Realbedingungen in Deutschland etwa 150 bis 200 kWh pro Jahr. Ein typisches Zwei-Modul-Setup mit insgesamt rund 3,5 m² Fläche kommt auf 600 bis 900 kWh jährlich, je nach Standort und Ausrichtung.

Was bei Wolken, Regen und im Winter passiert

Eine der häufigsten Fragen lautet: Bringt Photovoltaik auch was, wenn die Sonne nicht scheint? Die kurze Antwort: Ja, aber deutlich weniger.

Diffuses Licht

Auch bei bedecktem Himmel erreicht Licht die Erdoberfläche - nur eben nicht als gerichtete Strahlung, sondern als diffuses Licht, das von allen Seiten kommt. An einem trüben Tag liegt die Einstrahlung bei etwa 100 bis 300 W/m² statt der 1.000 W/m² bei praller Sonne. Dein Modul produziert dann entsprechend weniger, aber es produziert. Bei einem 800-Wp-Setup kommen an einem bewölkten Tag immer noch 50 bis 200 W zusammen, genug für Kühlschrank, Router und Standby-Geräte.

Winter

Im Winter sinkt der Ertrag aus zwei Gründen: Die Tage sind kürzer (in Berlin zum Beispiel nur 7 bis 8 Sonnenstunden im Dezember gegenüber 16 bis 17 im Juni), und die Sonne steht tiefer, was die Einstrahlung pro Fläche reduziert. Ein typisches Balkonkraftwerk liefert im Dezember und Januar nur etwa 10 bis 15 % seines Jahresertrags, während Mai bis August zusammen 50 bis 60 % beisteuern.

Regen und Schnee

Regen selbst reduziert den Ertrag kaum über den Wolkeneffekt hinaus. Schnee auf den Modulen kann sie komplett blockieren, aber bei der üblichen schrägen Montage rutscht Schnee schneller ab als vom Dach, und schon eine leichte Sonneneinstrahlung auf den oberen Rand des Moduls kann genug Wärme erzeugen, um den Schnee zum Rutschen zu bringen.

Ein unerwarteter Effekt: An klaren Wintertagen mit Schnee auf dem Boden kann die Reflexion den Ertrag sogar steigern, weil das Licht von unten auf die Module zurückgeworfen wird. Bifaziale Module profitieren davon besonders.

Was Photovoltaik nicht kann

Photovoltaik hat auch Grenzen, und es ist besser, die vorher zu kennen, als hinterher enttäuscht zu sein.

Erstens: Photovoltaik erzeugt nur Strom, wenn Licht auf die Module fällt. Nachts ist die Produktion null. Ohne Speicher oder Netzanschluss hast du nach Sonnenuntergang keinen Solarstrom.

Zweitens: Die Produktion schwankt stark. Zwischen einem sonnigen Junitag und einem grauen Dezembertag liegt ein Faktor 8 bis 10. Du kannst dich also nicht darauf verlassen, jeden Tag dieselbe Menge Strom zu erzeugen.

Drittens: Solarzellen wandeln Licht in Strom um, nicht Wärme. Ein heißer, aber bewölkter Tag bringt weniger als ein kalter, sonniger. Tatsächlich arbeiten Solarzellen bei niedrigen Temperaturen sogar effizienter, weil der Temperaturkoeffizient negativ ist. Ein klarer Februartag mit -5 °C und Sonnenschein kann pro Stunde mehr bringen als ein schwüler Augusttag mit Schleierwolken.

Von der Physik zur Praxis: Was das alles für dein Balkonkraftwerk bedeutet

Die Physik hinter Photovoltaik ist elegant und robust zugleich. Keine beweglichen Teile bedeuten kaum Verschleiß. Die Degradation, also die allmähliche Leistungsabnahme, liegt bei modernen Modulen bei 0,3 bis 0,5 % pro Jahr. Nach 25 Jahren liefert ein gutes Modul noch 85 bis 90 % seiner Anfangsleistung. Das ist ein Zeitraum, in dem du deinen Kühlschrank vermutlich dreimal austauschst.

Die Technologie wird außerdem kontinuierlich besser. Während Module um die Jahrtausendwende bei 12 bis 14 % Wirkungsgrad lagen, erreichen Spitzenmodule 2026 knapp 25 %. Und Tandemzellen mit Perowskit könnten in den nächsten Jahren die 30-%-Marke knacken. Für dich als Balkonkraftwerk-Besitzer bedeutet das: Selbst wenn du heute kaufst, kaufst du eine ausgereifte, zuverlässige Technologie - und jedes Jahr werden die Module auf derselben Fläche noch ein bisschen mehr Strom erzeugen können.

Wenn du jetzt wissen willst, wie der erzeugte Strom vom Modul durch den Wechselrichter in deine Steckdose und von dort zu deinen Geräten fließt, findest du die Antwort im Artikel "Stromfluss verstehen: Vom Modul in die Steckdose".