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Panels Photovoltaische Solarenergie

Photovoltaik-Effekt

Photovoltaik-Effekt

Der photovoltaische Effekt ist der photoelektrische Effekt, der durch die Erzeugung eines elektrischen Stroms zwischen zwei Stücken unterschiedlichen Materials gekennzeichnet ist, die in Kontakt stehen und Licht oder im Allgemeinen elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt sind.

Der photovoltaische Effekt besteht darin, Sonnenlicht mittels Photovoltaikzellen in elektrische Energie umzuwandeln. 

Wo wird der Photovoltaikeffekt eingesetzt?

Der photovoltaische Effekt wird in der photovoltaischen Solarenergie genutzt. Speziell in den Photovoltaikzellen der Solarmodule.

Halbleitermaterialien (wie Silizium) zeichnen sich durch ein unterschiedliches Verhalten gegenüber Elektrizität aus. Das Verhalten von Halbleitern hängt davon ab, ob eine externe Energiequelle sie anregt oder nicht.

Diese Energiequelle wäre Sonnenstrahlung.

Photovoltaikzellen

Photovoltaikzellen sind Halbleiterbauelemente aus reinem Silizium unter Zusatz von Verunreinigungen aus bestimmten chemischen Elementen. Die Zellen erzeugen Strom in Gleichstrom unter Verwendung der Sonnenstrahlung als Quelle.

Die Zellen sind in Reihe auf Photovoltaikmodulen oder Solarmodulen montiert, um eine ausreichende Spannung zu erreichen. Ein Teil der einfallenden Strahlung geht durch Reflexion (Bounces) und ein Teil durch Transmission (Durchgang durch die Zelle) verloren. Der Rest kann Elektronen von einer Hülle zur anderen springen und einen Strom erzeugen, der proportional zur einfallenden Strahlung ist.

Wie entsteht der Photovoltaikeffekt?

Der photovoltaische Effekt beginnt in dem Moment, in dem ein Photon aus der letzten Umlaufbahn eines Siliziumatoms auf ein Elektron trifft. Dieses letzte Elektron wird Valenzelektron genannt. Es empfängt die Energie, mit der sich das Photon bewegt hat.

Das Photon ist nichts anderes als ein Teilchen strahlenden Lichts.

Wenn die vom Elektron aufgenommene Energie die Anziehungskraft des Kerns (Valenzenergie) überschreitet, verlässt es seine Umlaufbahn und ist atomfrei und kann sich daher durch das Material bewegen. Zu diesem Zeitpunkt würden wir sagen, dass Silizium ein Leiter (Leitungsband) geworden ist. Dazu muss die Aufprallkraft eines Photons mindestens 1,2 eV betragen.

photovoltaischer Effekt

Elektrischer Strom

Jedes freigesetzte Elektron hinterlässt ein Loch oder einen freien Raum, bis es von einem Elektron besetzt ist, das von einem anderen Atom gesprungen ist. Diese Bewegungen der freigesetzten Elektronen oder der Räume, die sie hinterlassen, werden als elektrische Ladungen bezeichnet.

Dieser Ladestrom kann die Kontakte erreichen und das Material verlassen, um nützliche Arbeiten auszuführen. Damit dies ständig und regelmäßig geschieht, muss ein elektrisches Feld konstanter Polarität vorhanden sein. Dieses Feld polarisiert die Teilchen und wirkt als echte Pumpe, die die Elektronen in eine Richtung und die Löcher in die entgegengesetzte Richtung treibt.

In herkömmlichen Solarzellen wird das elektrische Feld (0,5 V) dank eines PN-Übergangs gebildet, dh ein Bereich des Materials weist überschüssige Elektronen auf (negative Ladung), während der andere einen Mangel an Elektronen aufweist (positive Ladung). ), so dass ein Elektron, wenn es freigesetzt wird, mit geringem spezifischem Widerstand durch das Material zu den Silberleitern geschleudert wird.

Wenn die vom Elektron aufgenommene Energie die Anziehungskraft des Kerns (Valenzenergie) überschreitet, verlässt es seine Umlaufbahn und ist atomfrei und kann sich daher durch das Material bewegen. Zu diesem Zeitpunkt würden wir sagen, dass Silizium zu einem Leiter (Leitungsband) geworden ist, und dazu muss die Aufprallkraft eines Photons mindestens 1,2 eV betragen.

Bedeutung von Photonen für den photovoltaischen Effekt

Photonen, die kleinen Wellenlängen entsprechen (ultraviolette Strahlung), sind energiereicher (2 bis 3 Elektronenvolt) als solche, die längeren Wellenlängen entsprechen (Infrarotstrahlung).

Jedes Halbleitermaterial hat eine minimale Energie, die es ermöglicht, Elektronen aus ihren Atomen freizusetzen. Diese Energie entspricht Photonen eines bestimmten Frequenzbandes (Lücke), die von den mit dem Ultraviolett verbundenen zu den sichtbaren Farben übergehen, mit Ausnahme von Rot, dem bereits eine Energie von weniger als 1,2 Elektronenvolt zugeordnet ist.

Warum werden nicht alle Photonen in Elektrizität umgewandelt?

Nicht alle Photonen erreichen das Ziel, Elektronen zu trennen. Dies liegt daran, dass das Durchqueren des Materials immer einen gewissen Energieverlust bedeutet. Dieser Energieverlust impliziert, dass einige Photonen zum Zeitpunkt der Kollision bereits zu viel Energie verloren haben, um ein Elektron zu verdrängen. Diese Nichtabsorptionsverluste hängen nur von den Materialeigenschaften ab und sind unvermeidbar.

Ebenso gibt es einen Prozentsatz von Photonen, die durch die Halbleiterschicht gehen, ohne auf ein Elektron zu stoßen, und andere, die die Oberfläche des Materials beleuchten und reflektiert werden (Reflexionsverluste). Diese Verluste können durch Antireflexbehandlungen auf der Oberfläche der Photovoltaikzelle verringert werden. In diesen Fällen würde der photovoltaische Effekt nicht auftreten.

Die Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares wird nur für jedes Photon erreicht, dessen kinetische Energie größer ist als die minimale Energie (Lücke), die es schafft, das Material zu durchdringen und mit einem Valenzelektronen anzuhalten.

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Erscheinungsdatum: 13. Mai 2015
Geändert am: 3. Mai 2020