Wie funktionieren Solarzellen?

Solarzellen, auch als photovoltaische (PV) Zellen bezeichnet, sind das Herzstück von Solarenergiesystemen. Sie wandeln Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um, und zwar durch den photovoltaischen Effekt.

Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium, einem Halbleitermaterial, das sowohl die Eigenschaften von Leitern (wie Metalle) als auch die von Nichtleitern (wie Kunststoffe) aufweist. Die Herstellung einer Solarzelle beginnt mit einem Siliziumkristall, der in dünne Scheiben geschnitten wird. Diese Scheiben werden dann mit verschiedenen Verunreinigungen, wie zum Beispiel Phosphor und Bor, dotiert, um zwei verschiedene Arten von Silizium zu erzeugen: n-Typ-Silizium, das einen Elektronenüberschuss aufweist, und p-Typ-Silizium, das einen Elektronenmangel aufweist.

Die n-Typ- und p-Typ-Siliziumschichten werden dann zusammengefügt, wodurch eine p-n-Verbindung entsteht. An dieser Verbindung entsteht ein elektrisches Feld, das dazu neigt, Elektronen von der n-Schicht zur p-Schicht zu bewegen.

Wenn Licht auf die Solarzelle trifft, absorbieren die Siliziumatome die Photonen (Lichtteilchen) und geben ihre Energie an die Elektronen in den Siliziumatomen weiter. Dies gibt den Elektronen genug Energie, um sich aus ihren Atomen zu lösen und durch das elektrische Feld an der p-n-Verbindung zu wandern. Dieser Fluss von Elektronen erzeugt einen elektrischen Strom.

Der erzeugte Strom ist Gleichstrom (DC), der für die meisten Anwendungen in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden muss. Dies geschieht mit einem Wechselrichter. Mehrere Solarzellen können zu einem Solarmodul oder einer Solarpaneele zusammengefasst werden, und mehrere Module können zu einem Solarkollektor oder einer Solaranlage kombiniert werden, um mehr Strom zu erzeugen.

Die Effizienz einer Solarzelle, d.h. der Anteil der Sonnenenergie, der in elektrischen Strom umgewandelt wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel der Qualität des Siliziums, der Dotierung und der Beschichtung der Zelle. Die meisten kommerziellen Solarzellen haben eine Effizienz von etwa 15-20%, obwohl einige fortschrittliche Zellen eine Effizienz von über 40% erreichen können.

Solarzellen sind eine Schlüsseltechnologie für die Nutzung von Solarenergie. Mit Fortschritten in der Materialwissenschaft und der Nanotechnologie wird erwartet, dass die Effizienz von Solarzellen weiter steigen und die Kosten weiter sinken werden, was die Solarenergie noch wettbewerbsfähiger gegenüber konventionellen Energiequellen machen wird.

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