Was sind Solarzellen?
Solarzellen
Solarzellen sind elektronische Bauteile, die in der Lage sind, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Die Wirkungsweise von Solarzellen beruht auf dem photoelektrischen Effekt, der besagt, dass bei der Bestrahlung von Halbleitermaterialien mit Sonnenlicht Elektronen aus ihrem gebundenen Zustand freigesetzt werden können.
Fast 95 % aller Solarzellen bestehen aus Quarzsand-Silizium (Si). Silizium (Si) ist eines der am häufigsten vorkommenden natürlichen Elemente in den Erdschichten und gilt als unerschöpflich. Um Siliziumscheiben aus Quarzsand, der natürlichen Siliziumquelle, zu formen, muss der Quarzsand zunächst gewaschen und kristallisiert werden. Das fertige Produkt wird in Scheiben geschnitten, gezielt kontaminiert und mit Leiterbahnen versehen.
Wenn das Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden die freigesetzten Elektronen in Richtung des n-dotierten Halbleiters bewegt, während die entstehenden Löcher in Richtung des p-dotierten Halbleiters bewegt werden. Durch diese Bewegung entsteht eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Halbleiterschichten, die als Ladungstrennung bezeichnet wird.
Die Potentialdifferenz bewirkt, dass die freigesetzten Elektronen in Richtung einer Metallelektrode wandern, während die Löcher in Richtung einer anderen Metallelektrode wandern. Diese Bewegung der Ladungen erzeugt einen elektrischen Strom, der von der Solarzelle abgegriffen werden kann.
Einzelne Solarzellen sind ziemlich klein und produzieren nur ca. 0.6 V Spannung. Um eine höhere Ausbeute an elektrischer Energie zu erzielen, werden Solarzellen oft zu sogenannten Solarzellenmodulen zusammengefasst. Diese Module bestehen aus mehreren Solarzellen, die miteinander verbunden sind und gemeinsam elektrische Energie erzeugen.
Der Strom ist jedoch immer proportional zur einfallenden Lichtintensität.
Je höher die Sonneneinstrahlung, desto mehr Photovoltaikstrom wird von der Photovoltaikanlage erzeugt.
Die Solarzellenspannung ist unabhängig von Lichteinfall und Sonneneinstrahlung. Die Zellspannung beträgt immer 0.6 Volt. Allerdings hängt die Stromstärke auch von der Zellengröße ab. Eine typische 15 x 15 cm große Solarzelle erzeugt im Durchschnitt etwa 5.5 Ampere Strom. Die Leistung einer Zelle beträgt bei vollem Lichteinfall etwa 3.4 Watt.
Solarzellen finden in vielen Bereichen Anwendung, darunter in der Stromversorgung von Gebäuden, Fahrzeugen und elektronischen Geräten sowie in der Raumfahrt.
Herstellung
Die Herstellung von Solarzellen erfolgt in mehreren Schritten, beginnend mit der Herstellung von reinem Silizium. Dieses wird in einem aufwändigen Prozess aus Rohsilizium gewonnen und dann zu polykristallinem oder monokristallinem Silizium weiterverarbeitet.
Die weiteren Schritte in der Solarzellenproduktion variieren je nach Typ der Solarzelle. Für die Herstellung von Silizium-Solarzellen werden die Siliziumscheiben in Scheiben geschnitten und gereinigt. Anschließend wird auf einer Seite der Scheibe eine Schicht aus p-dotiertem Silizium aufgebracht, während auf der anderen Seite eine Schicht aus n-dotiertem Silizium aufgebracht wird. Diese Schichten werden durch Diffusionsprozesse erzeugt, bei denen Fremdatome in das Silizium eingebracht werden.
Als nächstes wird auf der n-dotierten Seite der Scheibe eine feine Schicht aus Metall aufgedampft, um eine elektrisch leitende Kontaktierung zu ermöglichen. Anschließend wird die Scheibe in kleine Solarzellen geschnitten und auf ein Trägermaterial aufgeklebt.
Für die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen werden dünne Schichten von Halbleitermaterialien wie Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid oder amorphem Silizium auf eine Glas- oder Metallplatte aufgebracht. Diese Schichten werden durch verschiedene Verfahren wie Sputtern, Abscheiden oder Beschichten erzeugt.
Nach der Herstellung der Solarzellen werden sie in Solarzellenmodule integriert. Diese Module bestehen aus mehreren Solarzellen, die in einem speziellen Rahmen angeordnet und miteinander verbunden sind. Die Module sind dann bereit für den Einsatz in Solarkraftwerken, auf Dächern von Gebäuden oder in anderen Anwendungen.