Eine Photovoltaikzelle (oder Solarzelle) ist ein elektronisches Gerät, das Energie aus Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt. Dieser Vorgang wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet. Solarzellen sind für Photovoltaikanlagen unerlässlich, die Sonnenenergie einfangen und in nützlichen Strom für unsere Häuser und Geräte umwandeln.
Solarzellen bestehen aus Materialien, die Licht absorbieren und Elektronen abgeben. Das häufigste Material ist Silizium, ein in der Erdkruste häufig vorkommendes Element. Wenn Photonen (Lichtteilchen) auf die Solarzelle treffen, werden die Elektronen im Silizium freigesetzt. Diese freien Elektronen erzeugen beim Einfangen einen elektrischen Strom.
Photovoltaikmodule bestehen aus mehreren Gruppen miteinander verbundener Fotozellen. Jede Gruppe von Solarzellen bildet ein Netzwerk aus Photovoltaikzellen, die in einem elektrischen Reihenschaltkreis verbunden sind, um die Ausgangsspannung zu erhöhen. Gleichzeitig werden mehrere Netzwerke parallel geschaltet, um die Intensität des elektrischen Stroms zu erhöhen, den das Gerät liefern kann.
Die Art des elektrischen Stroms, der von Photovoltaikmodulen bereitgestellt wird, ist Gleichstrom.
Struktur und Zusammensetzung
Die gängigsten Solarzellen bestehen aus einer Schicht aus kristallinem Silizium mit einer Dicke von etwa 0,3 mm. Der Herstellungsprozess ist auf einem anspruchsvollen und heiklen Niveau, 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 in der Erdkruste vorkommende chemische Verbindung, 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).
Silizium in Photovoltaikqualität muss bis zu 99,999 % transparent sein. Um diese Reinheit zu erreichen, muss Silizium in eine spezielle chemische Verbindung destilliert werden. Diese spezielle Verbindung wandelt das Destillat wieder in Silizium um.
Die positiven und negativen Zonen der Photovoltaikzelle
Das elektrische Feld entsteht durch die unterschiedliche Polarisation zweier Bereiche der Solarzelle. Im Allgemeinen ist der obere Teil negativ und der Rest positiv geladen, um den PN-Übergang zu erzeugen.
Die P-Zone (positive Zone oder Empfangsanode) ist ein Bereich, dem Elektronen fehlen und der daher positiv geladen ist. Im Allgemeinen wird diese Konfiguration durch Zugabe eines kleinen Teils Bor zu reinem Silizium erreicht, das nur über 3 Valenzelektronen verfügt.
Die N-Zone (negative Zone oder Kathode oder Emitter) weist überschüssige Elektronen auf. Im Allgemeinen wird diese Zone durch die Diffusion von Phosphor gebildet, der auf der letzten Umlaufbahn 5 Elektronen aufweist.
Aufgrund dieses Unterschieds in der elektrischen Ladung im Halbleitermaterial entsteht das elektrische Feld, das für den Druck der Elektronen von der N-Schicht zur P-Schicht verantwortlich ist.
Der durchschnittliche Umwandlungswirkungsgrad kommerziell erhältlicher Photovoltaik-Solarzellen aus monokristallinem Silizium ist geringer als der von Mehrschichtzellen, typischerweise Galliumarsenid.
Derzeit gibt es auch neue Technologien bei der Herstellung von Solarmodulen, die ohne Silizium auskommen.
Betrieb einer Photovoltaikzelle
Wenn wir eine Photovoltaik-Solarzelle mit einem Widerstand (Verbrauch) an einen Stromkreis anschließen und sie gleichzeitig Sonnenstrahlung empfängt, entsteht zwischen ihren Kontakten eine elektrische Potentialdifferenz. Diese Spannung führt dazu, dass Elektronen durch den Stromkreis fließen und einen elektrischen Strom erzeugen.
Unter diesen Bedingungen fungiert die Photovoltaikzelle als Stromgenerator. Sonnenlicht besteht aus Photonen, das sind Teilchen mit einer bestimmten Energiemenge. Wenn diese Photonen auf die Solarzelle treffen, treffen sie auf die Elektronen in der N-Schicht des Siliziums. Wenn ein Elektron die Energie eines Photons mit ausreichender Energie absorbiert, löst sich dieses Elektron aus dem Material und erzeugt ein „Loch“, das von einem anderen Elektron gefüllt wird. Dieser Elektronenfluss erzeugt einen elektrischen Strom.
Der Strom, der von einer beleuchteten und an eine Last angeschlossenen Photovoltaikzelle erzeugt wird, ist die Differenz zwischen ihrer Bruttoproduktionskapazität und den Verlusten aufgrund der Rekombination von Elektronen und Photonen. Die Effizienz der Zelle hängt von mehreren Faktoren ab, beispielsweise von der Qualität des Materials und der Menge an Sonnenlicht, die auf die Zelle trifft.
Beispiele für Solarzellenanwendungen
Solarzellen finden vielfältige Anwendungen sowohl in kleinen Geräten als auch in großen Stromerzeugungssystemen. Hier sind einige bemerkenswerte Beispiele:
Kleine Geräte
- Taschenrechner : Sie nutzen Solarzellen und benötigen keine Batterien. Diese Taschenrechner sind in Büros und Schulen üblich.
- Uhren : Einige Uhren verwenden Solarzellen zum Aufladen ihrer Batterie, was ihre Lebensdauer verlängert und die Notwendigkeit eines häufigen Batteriewechsels verringert.
- Gartenleuchten : Solar-Gartenleuchten verfügen über Solarzellen, die tagsüber die Sonnenenergie einfangen und sie nachts zur Beleuchtung nutzen, ohne dass Kabel oder Strom aus dem Netz erforderlich sind.
Wohnsysteme
- Solarmodule auf dem Dach : Viele Häuser sind mit Solarmodulen ausgestattet, die Sonnenlicht in Strom für den Hausgebrauch umwandeln. Dies kann die Stromrechnungen und die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energiequellen erheblich reduzieren.
Industrielle und kommerzielle Anwendungen
- Solaranlagen : Große Solaranlagen nutzen große Mengen an Solarpaneelen, um Strom im kommerziellen Maßstab zu erzeugen und Tausende von Haushalten und Unternehmen mit sauberer Energie zu versorgen.
- Ladestationen für Elektrofahrzeuge : Einige Ladestationen nutzen Sonnenkollektoren, um Elektrofahrzeuge mit Strom zu versorgen , was die Nachhaltigkeit fördert und die Belastung des Stromnetzes verringert.
Spezialanwendungen :
- Satelliten und Weltraum : Satelliten und andere Raumfahrzeuge nutzen Solarzellen zur Stromerzeugung im Weltraum, wo reichlich und konstant Sonnenlicht vorhanden ist.
- Tragbare und Notfallgeräte : Solarzellen werden in tragbaren Ladegeräten für Mobiltelefone und in Notfallgeräten eingesetzt und stellen die Stromversorgung in kritischen Situationen sicher.