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Panels Photovoltaische Solarenergie

Photovoltaikzelle, was sind Photovoltaikzellen und wie funktionieren sie?

In der Elektronik ist eine Photovoltaikzelle – oder Solarzelle – ein elektrisches Gerät, das durch den Photovoltaikeffekt einfallende Energie aus Sonnenstrahlung in Elektrizität umwandelt. Daher sind Solarzellen die Basis von Photovoltaikanlagen, um Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln.

Photovoltaikzelle, was sind Photovoltaikzellen und wie funktionieren sie?

Verbindungen eines Materials mit photoelektrischer Wirkung absorbieren Photonen aus Licht und emittieren Elektronen. Wenn diese freien Elektronen eingefangen werden, entsteht ein elektrischer Strom, der als Elektrizität verwendet werden kann.

Photovoltaikmodule bestehen aus mehreren Gruppen von miteinander verbundenen Fotozellen. Jede Gruppe von Photovoltaikzellen bildet ein Netzwerk von Photovoltaikzellen, die in Reihe geschaltet sind, um die Ausgangsspannung zu erhöhen. Gleichzeitig werden mehrere Netze parallel geschaltet, um die Stromstärke zu erhöhen, die das Gerät liefern kann.

Die Art des elektrischen Stroms, den Photovoltaikmodule liefern, ist Gleichstrom.

Wie sieht eine Photovoltaikzelle aus?

Die gebräuchlichsten Solarzellen bestehen aus einer etwa 0,3 mm dicken Schicht aus kristallinem Silizium. Der Herstellungsprozess ist anspruchsvoll und filigran, um eine Homogenität des Materials zu erreichen.

Silizium ist derzeit das am häufigsten verwendete Material bei der Herstellung neuer Photovoltaikzellen. Dieses Material, die am häufigsten vorkommende chemische Verbindung in der Erdkruste, wird durch Reduktion von Siliziumdioxid gewonnen. Der erste Schritt besteht darin, metallurgisches Silizium mit einer Reinheit von 98% aus Quarzsteinen herzustellen, die aus einer Mineralader stammen (die Herstellungstechnik hat nichts mit Sand zu tun).

Photovoltaik-Silizium muss zu 99,999 % transparent sein. Um diese Reinheit zu erhalten, muss das Silizium in eine spezielle chemische Verbindung destilliert werden. Diese spezielle Verbindung wandelt das Destillat wieder in Silizium um.

Die positiven und negativen Zonen der Solarzelle

Das elektrische Feld wird aus der unterschiedlichen Polarisation zweier Zonen der Photovoltaikzelle erzeugt. Im Allgemeinen ist der obere Teil negativ geladen und der Rest ist positiv geladen, um den PN-Übergang zu erzeugen.

Die P-Zone (positive Zone oder Rezeptoranode) ist eine Zone, der Elektronen fehlen und die daher eine positive Ladung hat. Im Allgemeinen wird diese Konfiguration durch Hinzufügen eines kleinen Teils Bor mit nur 3 Valenzelektronen zu reinem Silizium erreicht.

Die N-Zone (negative Zone oder Kathode oder Emitter) weist überschüssige Elektronen auf. Im Allgemeinen wird dieser Bereich durch die Diffusion von Phosphor gebildet, der in der letzten Umlaufbahn 5 Elektronen hat.

Aufgrund dieses elektrischen Ladungsunterschieds im Halbleitermaterial wird das elektrische Feld erzeugt, das die Elektronen von der N-Schicht zur P-Schicht drückt.

Die durchschnittliche Umwandlungseffizienz, die von kommerziell erhältlichen photovoltaischen Solarzellen aus monokristallinem Silizium erhalten wird, ist niedriger als die von Mehrschichtzellen, typischerweise Galliumarsenid.

Derzeit gibt es auch neue Technologien bei der Herstellung von Solarmodulen, die kein Silizium verwenden.

Wie funktioniert eine Photovoltaikzelle?

Wenn wir eine Photovoltaik-Solarzelle an einen Stromkreis mit einem Widerstand (Verbrauch) anschließen und sie gleichzeitig Sonnenstrahlung empfängt, entsteht zwischen ihren Kontakten eine elektrische Potentialdifferenz. Diese Spannung bewirkt, dass die Elektronen durch die Ladung zirkulieren.

Unter diesen Bedingungen fungiert die photoelektrische Zelle als Stromgenerator.

Licht besteht aus Photonen, die eine bestimmte Energie haben. Trifft das Licht auf die Solarzelle, treffen die Photonen auf die Elektronen in der N-Schale. Wenn ein Elektron die Energie eines Photons mit ausreichender Energie aufnimmt, wird das Elektron aus dem Material gerissen und lässt einen freien Raum, den ein anderes Elektron einnimmt. Diese Elektronenbewegung beinhaltet einen elektrischen Strom.

Wir können sagen, dass der Strom, der von einer beleuchteten photovoltaischen Solarzelle erzeugt wird, die an eine Last angeschlossen ist, der Rest zwischen ihrer Bruttoproduktionskapazität und den Verlusten aufgrund der Rekombination zwischen Elektronen und Photonen ist.

Wozu dienen Photovoltaik-Solarzellen?

Photovoltaik-Zellen werden manchmal allein verwendet (Gartenbeleuchtung, Taschenrechner, ...) oder in Photovoltaik-Solarmodulen gruppiert. Auf diese Weise wird Strom aus dieser erneuerbaren Energiequelle erzeugt.

Photovoltaik-Zellen sind die Grundkomponenten von Photovoltaik-Modulen, bei denen es sich um Sonnenkollektoren handelt, die elektrische Energie aus Sonnenstrahlung erzeugen können. Sie ist damit der wesentliche Baustein für diese Art erneuerbarer Energien.

Ein Photovoltaik-Solarpanel besteht aus einem Netzwerk von Solarzellen, die in Reihe geschaltet sind, um die Ausgangsspannung zu erhöhen. Gleichzeitig werden mehrere Netzwerke in Parallelschaltung geschaltet, um den elektrischen Strom zu erhöhen, den das Gerät bereitstellen kann.

Die Art des elektrischen Stroms, den ein Photovoltaikmodul liefert, ist Gleichstrom.

Photoelektrische Zellen werden auch verwendet, um Batterien in Anwendungen wie Taschenrechnern, Uhren und Geräten zu ersetzen, die mit Sonnenenergie betrieben werden können.

Durch die Energiespeicherung mittels eines Kondensators oder einer galvanischen Zelle ( Batterie) kann der Einsatzbereich erhöht werden. Bei Verwendung mit einem Energiespeicher muss eine Diode in Reihe geschaltet werden, um eine Entladung aus dem System über Nacht zu verhindern.

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Erscheinungsdatum: 18. Februar 2016
Geändert am: 14. Oktober 2021