Solarzelle

Funktion der Solarzelle Um die Funktion einer Solarzelle richtig zu erklären, müssen wir an dieser Stelle
einige Einstellungen vornehmen.
Solarzellen bestehen aus Halbleitern. Halbleiter sind Stoffe, deren Leitfähigkeit durch Zufuhr von Energie in Form von Wärme oder Licht erhöht werden kann, z.B. Silizium (Si), Germanium (Germanium ist ein chemisches Element mit Symbol Ge und Ordnungszahl 32) (Ge) oder Cadmiumsulfid (Cadmiumsulfid ist die anorganische Verbindung mit der Formel CdS) (CdSO3). Doch wie kommt es, dass eine Substanz durch Energiezufuhr an Leitfähigkeit gewinnt?
Dies lässt sich am Beispiel von Silizium gut erklären. Im Kristallgitter dieses Elements hat jedes Atom vier unmittelbar benachbarte Atome. Eines der vier äußeren Elektronen des Si-Atoms befindet sich in jedem der vier benachbarten Bereiche. Da jedes der benachbarten Atome auch ein Außenatom für diese Nachbarregion bereitstellt, gibt es jeweils zwei Elektronen. Der Kristall wird durch die Gravitationskräfte der Elektronen im Nachbargebiet und im Atomkörper zusammengehalten.
Bei sehr niedrigen Temperaturen werden die Elektronen zwischen den Rümpfen gehalten. Wenn der Kristall erhitzt wird, beginnen die Elektronen zu schwingen und werden sozusagen aus ihren Bindungen”herausgeschüttelt”. Nach Anlegen einer Spannung werden die “schüttelfreien” Elektronen zum Pluspol gezogen und am Minuspol durch neue Elektronen au

s der Schaltung ersetzt. Natürlich bewegen sich die Elektronen auch zwischen den Atomkörpern, aber in Abbildung 2 wurden sie symbolisch außerhalb der Kette gezeichnet. Die entstandene Lücke wurde durch einen Kreis markiert.
Um die Leitfähigkeit eines Halbleiters zu verbessern, wird die Anzahl der Elektronen erhöht. Dazu wird z.B. jedes millionste Siliziumatom im Kristallgitter (in der Kristallographie ist die Kristallstruktur eine Beschreibung der geordneten Anordnung von Atomen, Ionen oder Molekülen in einem kristallinen Material) durch ein Arsenatom ersetzt. Dieser Vorgang wird als Doping bezeichnet. Da Arsen (Arsen ist ein chemisches Element mit dem Symbol As und der Ordnungszahl 33) fünf Valenzelektronen besitzt, kann ein Elektron nicht an der Kristallbindung teilnehmen. Es bleibt als freies Elektron erhalten und erhöht somit die Leitfähigkeit (Der elektrische Widerstand ist eine intrinsische Eigenschaft, die quantifiziert, wie stark ein bestimmtes Material dem Stromfluss entgegenwirkt). Da diese Dotierung (bei der Halbleiterherstellung ist die Dotierung das absichtliche Einbringen von Verunreinigungen in einen intrinsischen Halbleiter zum Zwecke der Modulation seiner elektrischen Eigenschaften) auf der Zugabe von negativ geladenen Elektronen beruht, wird sie als n-Halbleiter bezeichnet.
Dotierung von Silizium (Silizium ist ein chemisches Element mit Symbol Si und Ordnungszahl 14) mit Atomen, die ein Valenzelektron haben (in der Chemie ist ein Valenzelektron ein Elektron, das einem Atom zugeordnet ist und an der Bildung einer chemischen Bindung teilnehmen kann; in einer einzigen kovalenten Bindung tragen beide Atome in der Bindung ein Valenzelektron bei, um ein gemeinsames Paar zu bilden), z.B. Aluminium (Aluminium oder Aluminium ist ein chemisches Element in der Borgruppe mit Symbol Al und Ordnungszahl 13), wird positive Dotierung genannt. Das Ergebnis ist ein p-Halbleiter . Da jedem Aluminiumatom (Ein Atom ist die kleinste Einheit der gewöhnlichen Materie, die die Eigenschaften eines chemischen Elements hat) ein Elektron in der Bindungskette fehlt, entstehen viele Löcher, die nicht gefüllt werden können. Beim Anlegen der Spannung können Bindungselektronen daher von links in ein Loch rechts von ihrem Gitterplatz “springen”. Auf ihrem alten Platz entsteht ein neues Loch. Auch hier können Elektronen vom Minuspol Löcher füllen. Da
der Kristall jedoch elektrisch neutral bleiben muss, muss die gleiche Anzahl von Elektronen zum positiven Pol wandern.
Treffen ein n- und ein p-Halbleiter aufeinander, ohne die Gitterstruktur zu stören, bildet sich an dieser Stelle eine sogenannte Barriereschicht. Je nach Polarität lässt diese Schicht Elektronen durch oder blockiert den Elektronenfluss. Dies wird als Halbleiterdiode bezeichnet (In der Elektronik ist eine Diode ein zweipoliges elektronisches Bauelement, das hauptsächlich in eine Richtung leitet; sie hat einen geringen Widerstand gegen den Strom in der einen Richtung und einen hohen Widerstand in der anderen).
Bei Vorwärtspolarität, d.h. n-Halbleiter am Minuspol und p-Halbleiter am Pluspol, werden die Elektronen vom n-Halbleiter über die Sperrschicht zum Pluspol gezogen. Am Minuspol werden dem n-Halbleiter neue Elektronen hinzugefügt. Bei umgekehrter Polarität werden die freien Elektronen durch eine Kraft nach links gezogen. Allerdings passieren keine Elektronen die Sperrschicht, da rechts fast keine freien Elektronen und links keine Löcher vorhanden sind. Eine Solarzelle ist genauso aufgebaut wie die eben beschriebene Diode. Die n-dotierte Seite zeigt zur Sonne . Aber fangen wir mit dem Zustand vor der Exposition an.
Aufgrund ihrer Eigenbewegung überqueren einige Elektronen bereits während der Herstellung des p-n-Übergangs die Grenzschicht (ein p-n-Übergang ist eine Grenze oder Grenzfläche zwischen zwei Arten von Halbleitermaterial, p- und n-Typ, innerhalb eines Einkristalls aus Halbleiter). Auch Bindungselektronen wandern in die Löcher des p-Halbleiters. Der n-Halbleiter verliert somit einen kleinen Teil seiner frei beweglichen Elektronen. In unmittelbarer Nähe der Grenzschicht überwiegt die positive Ladung der Löcher. Der p-Halbleiter lädt sich in der Nähe der Grenzschicht durch die zugeführten Elektronen leicht negativ auf.
Es bildet sich ein Gleichgewichtszustand, der verhindert, dass weitere Elektronen über die Grenzschicht springen. Wird nun die Grenzschicht freigelegt, werden die Elektronen auf ein höheres energetisches Niveau gehoben und es entstehen freie Elektronen und Löcher. Die positiven Ladungen am Rand des n-Halbleiters ziehen freie Elektronen nach links. Das Gleichgewicht ist gestört. Der n-Halbleiter hat Elektronen”zurückgewonnen”. Diese fließen über den externen Stromkreis zurück zum p-Halbleiter (Halbleiter sind kristalline oder amorphe Festkörper mit ausgeprägten elektrischen Eigenschaften). Bei längerer Belichtung wird ein kontinuierlicher Stromfluss erzeugt, der als Nutzstrom abgegriffen werden kann. Es gibt drei Arten von Solarzellen: monokristalline, polykristalline (Ein Kristallit ist ein kleiner oder sogar mikroskopischer Kristall, der sich beispielsweise bei der Abkühlung vieler Materialien bildet) und amorphe Solarzellen. Bei der Herstellung von monokristallinem Silizium (monokristallines Silizium ist das Ausgangsmaterial für Siliziumchips, die heute in nahezu allen elektronischen Geräten verwendet werden) wird geschmolzenes, hochreines Silizium in Stabform gezogen und anschließend in Scheiben geschnitten. Da die Produktion sehr komplex ist, ist dies die teuerste, aber auch effektivste (14-17%) Solarzelle (Eine Solarzelle, oder Photovoltaikzelle, ist ein elektrisches Gerät, das die Energie des Lichts direkt in Strom umwandelt durch den photovoltaischen Effekt, der ein physikalisches und chemisches Phänomen ist) Typ. Monokristalline Solarmodule werden vorzugsweise in mittleren und großen professionellen Solaranlagen eingesetzt (Solarenergie ist strahlendes Licht und Wärme von der Sonne , die durch eine Reihe sich ständig weiterentwickelnder Technologien wie Solarthermie, Photovoltaik , Solarthermie, Solararchitektur, Schmelzsalzkraftwerke und künstliche Photosynthese genutzt wird) Systeme, bei denen ein hoher Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer besonders wichtig sind. Polykristalline Solarzellen werden in Blöcke gegossen und anschließend in Scheiben geschnitten.
Durch die unterschiedlich großen Kristalle, die sich bei der Erstarrung bilden, treten an den Rändern Defekte auf, wobei der Wirkungsgrad nur zwischen 13-15% liegt.
Da sich die Produktion nur geringfügig von monokristallinen Solarzellen unterscheidet (nur die aufwendige Kristallzüchtung ist nicht erforderlich), sind die Anwendungsgebiete ähnlich. Amorphe Solarzellen finden sich in kleinen Anwendungen wie Uhren oder Taschenrechnern. Das Silizium wird einfach in einer Schicht von ca. 1µm auf eine Glasplatte verdampft. Dies geschieht in sogenannten Solarzellen. Solarzellen werden zu Solarmodulen kombiniert und können dann auf nach Süden ausgerichteten Dächern oder Fassaden installiert werden, um leisen und sauberen Strom zu erzeugen, der beispielsweise in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Aber natürlich können Sie den solar erzeugten Strom auch zur Versorgung von Straßenbeleuchtungen oder Brunnenpumpen ohne Netzanschluss nutzen – auch an bedeckten Tagen erzeugen die Solarmodule Strom, aber je mehr Licht auf die Module fällt, desto mehr Strom wird auch erzeugt. Bei direkter Sonneneinstrahlung wird pro Quadratmeter ein Kilowatt Leistung an die Sonne abgegeben.
Im Jahresverlauf ergibt sich eine Strahlungsenergie von 1000 kWh (Die Kilowattstunde ist eine abgeleitete Energieeinheit von 3,6 Megajoule) pro Quadratmeter. Die Leistung von Solarmodulen hängt vom Wirkungsgrad ab (zwischen 12% und 14% bei kristallinen Zellen) und kann bei voller Sonneneinstrahlung zwischen 100W und 120W pro Quadratmeter liegen.