WIE FUNKTIONIERT DIE SOLAR- UND PHOTOVOLTAIK-TECHNIK?
Solar- und Photovoltaiktechnologien sind bahnbrechende Innovationen im Bereich der erneuerbaren Energien und spielen eine Schlüsselrolle bei den weltweiten Bemühungen, saubere und nachhaltige Energiequellen zu schaffen. Im Folgenden wird die faszinierende Funktionsweise dieser Technologien im Detail erklärt:
Wie funktioniert der photovoltaische Effekt?
Beim photovoltaischen Effekt wandeln bestimmte Materialien, vor Allem Halbleiter (z.B. Silizium), Lichtenergie in elektrische Energie um. Grund hierfür ist die Wechselwirkung von Photonen (Lichtteilchen) mit den Atomen des Halbleitermaterials. Wenn ein Photon in ein Halbleitermaterial eindringt, kann es seine Energie auf ein Elektron im Valenzband (Valenzbandelektron) übertragen, wodurch das Elektron angeregt wird und sich im Leitungsband nach oben bewegt. Dadurch entsteht ein sogenanntes Elektron-Loch-Paar, bei dem das Elektron eine negative Ladung trägt und das Loch eine positive Ladung.
Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?
Der Aufbau einer typischen Solarzelle besteht aus mehreren Schichten, die zusammenwirken, um den photovoltaischen Effekt zur Stromerzeugung zu nutzen:
P-N-Übergang
Das Herzstück der Solarzelle ist der P-N-Übergang, er besteht aus zwei Halbleiterschichten. Die untere Schicht wird n-dotiert. Es entstehen negative Ladungsträger (Elektronen). Die obere Schicht ist p-dotiert, das heißt, sie ist mit Fremdatomen dotiert. Sie erzeugt positive Ladungsträger (Löcher). Die entscheidende Ladungstrennung findet an der Grenze dieser beiden Schichten statt, der sogenannten P-N-Grenzfläche.
Rückseite (Back Contact)
Die Rückseite ist die unterste Schicht der Solarzelle und besteht aus einem leitfähigen Material (z.B. Aluminium). Ihre Hauptaufgabe besteht darin, den von der Solarzelle erzeugten Strom zu sammeln und für die Nutzung außerhalb der Zelle bereitzustellen.
Antireflexbeschichtung
Die Vorderseite einer Solarzelle ist in der Regel mit einer speziellen Antireflex-Dünnschicht beschichtet. Diese Beschichtung reduziert die Reflexionen des Sonnenlichts auf der Solaroberfläche und maximiert damit die Menge des einfallenden Lichts, wodurch der Wirkungsgrad der Zelle bedeutend erhöht wird.
Wie funktioniert eine Solarzelle?
Trifft Sonnenlicht auf die Solarzelle, wird es von der Antireflexbeschichtung eingefangen und dringt in das Halbleitermaterial ein. Die Photonenenergie wird auf die Atome des Halbleitermaterials übertragen. Dadurch entstehen die oben erklärten Elektron-Loch-Paare. Die entscheidende Ladungstrennung findet an der P-N-Grenzfläche statt. Das elektrische Feld an dieser Grenzfläche zieht Elektronen zur n-dotierten Seite. Die Löcher hingegen wandern zur p-dotierten Seite. Dadurch entsteht eine Potentialdifferenz, also eine Spannung, zwischen den beiden Schichten.
Wie funktioniert die Ladungstrennung in der Photovoltaiktechnik?
Die Ladungstrennung an der P-N-Grenzfläche ist ein wichtiger Schritt bei der elektrischen Energiegewinnung. Das elektrische Feld an dieser Grenzfläche sorgt für die Trennung der Elektron-Loch-Paare. Die Elektronen wandern zur n-dotierten Seite und hinterlassen ein Loch in der p-dotierten Schicht. Die Bewegung dieser geladenen Teilchen erzeugt ein elektrisches Potential, das so genannte photoelektrische Potential.
Wie wird elektrischer Strom nutzbar gemacht?
Um den erzeugten Strom nutzbar zu machen, wird ein externer elektrischer Verbraucher, zum Beispiel ein Empfänger oder eine Batterie, an die Solarzelle angeschlossen. Die frei beweglichen Elektronen wandern durch den externen Stromkreis zur Rückseite der Solarzelle, um die Lücke zu füllen, die sie nach dem Verlassen der p-dotierten Schicht hinterlassen haben. Dabei fließt Strom durch einen externen Stromkreis, der zur Versorgung elektrischer Geräte oder zur Speicherung von Strom in einem Speichersystem genutzt werden kann.
Was ist ein Photovoltaikmodul?
Eine Solarzelle erzeugt nur eine begrenzte Menge Strom. Um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, werden mehrere Solarzellen zu einem Photovoltaik- oder Solarmodul zusammengefasst. Die Solarzellen werden in Reihe und/oder parallelgeschaltet, um eine höhere Spannung oder eine höhere Stromstärke zu erzeugen. Diese Module werden dann zu größeren Solaranlagen kombiniert, um Strom für Unternehmen, Haushalte oder sogar ganze Energieversorgungsnetze zu erzeugen.
Solarenergie und Photovoltaik sind also interessante Technologien, die auf der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie beruhen. Die Kombination von Ladungstrennung, Halbleitermaterialien und der Nutzung einer externen elektrischen Last zur Schaffung einer nachhaltigen und umweltfreundlichen Energiequelle unterstützt, den Klimawandel zu bekämpfen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.
Wenn Sie planen, auf Solarenergie umzusteigen oder ein Beratungsgespräch für Ihre persönlichen Anforderungen beabsichtigen, können Sie uns gerne jederzeit kontaktieren. Unsere Experten freuen sich, mit Ihnen in Kontakt zu treten und Ihnen alle Fragen rund um das Thema Solar zu beantworten. Gerne helfen wir Ihnen bei der fachgerechten Umsetzung Ihres Photovoltaik-Vorhabens und stehen auch im Nachgang jederzeit für Wartungen oder Instandhaltungen zur Verfügung.