Funktionsweise von Solarmodulen: Eine einfache Erklärung

Wie Sonnenkollektoren funktionieren HeaderVibe Images / Shutterstock Electricity umgibt uns. Ob in den Netzen von Stromkabeln, die jede entwickelte Nation bedecken, oder in den Strömen, die durch den menschlichen Blutkreislauf fließen, um das Herz höher schlagen zu lassen, Elektrizität treibt unser Leben an. Es hat die großen Fortschritte des letzten Jahrhunderts vorangetrieben und der Hunger nach mehr - und effizienteren - Mitteln zur Stromerzeugung wächst ständig.

Die Erzeugung der massiven Leistung, die den Globus antreibt, ist keine leichte Aufgabe, insbesondere angesichts der Tatsache, dass Ressourcen wie Kohle und Gas ausgehungert werden müssen. Natürliche Ressourcen sind jedoch begrenzt, und die Prozesse ihrer Gewinnung und Nutzung sind oft destruktiv. Mit fortschreitender Technologie und wachsender Weltbevölkerung wird saubere und erneuerbare Energie zum heiligen Gral. Forschungswege für erneuerbare Energien umfassen Methoden wie die Kaltfusion, aber vorerst sind dies Wunschträume. Es gibt jedoch eine große und schreckliche Energiequelle, die, wenn auch nicht unbegrenzt, wahrscheinlich Milliarden von Jahren dauern wird. Die Quelle, von der wir sprechen, ist die Sonne; das Herz des Sonnensystems und die reichlichste Energiequelle in unserer Reichweite.

Alte Kulturen verehrten die Sonne oft als Gott, sowohl wegen ihres blendenden Aussehens als auch wegen ihrer Fähigkeit, Pflanzen wachsen zu lassen. Während die Verehrung von Aten und Helios ausgestorben sein mag, übt die Sonne weiterhin einen ursprünglichen Einfluss auf unseren Planeten aus, sei es, indem sie das Wachstum ganzer Ökosysteme nährt oder sie durch Dürre tötet. Angesichts der jüngsten technologischen Entwicklungen kann die Sonne uns in Zukunft sogar unbegrenzte Energie liefern. 

Der Prozess der Umwandlung von Licht in Elektrizität wird als „Photovoltaik“ bezeichnet. Das Wort Photovoltaik leitet sich vom griechischen Wort „phos“ (Licht) und dem Begriff Volt ab, der Maßeinheit für die elektromotorische Kraft. Photovoltaikzellen sind Geräte, die Sonnenlicht einfangen und in nutzbaren Strom umwandeln. Sonnenkollektoren, die großen Oberflächen, die Sonnenlicht sammeln und in Elektrizität umwandeln, bestehen aus vielen Photovoltaikzellen, die den Prozess der Erzeugung einer elektrischen Ladung aus Sonnenlicht durchführen.

Halbleiter: Dotierung ohne Skandal

Eine Solarzelle besteht aus halbleitendem Material wie Silizium. Halbleiter liegen zwischen Leitern und Isolatoren hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Elektrizität durch sie zu leiten, daher der Name. Obwohl Silizium für sich genommen ein relativ schlechter Leiter ist, weist es eine kristalline Struktur auf, die es für den Bau von Halbleitern gut geeignet macht. Da die äußere Hülle eines Siliziumatoms nur zur Hälfte mit Elektronen gefüllt ist, bindet es sich stark an andere Atome, wenn es versucht, seine Hülle zu füllen.

Um Silizium leitfähiger zu machen, kann es durch Kombination mit anderen Elementen mit „Verunreinigungen“ versehen werden. Dies ist ein Prozess, der als "Dotierung" bezeichnet wird, und mit Verunreinigungen dotiertes Silizium ermöglicht eine freiere Bewegung der Elektronen. Bei einem Siliziumhalbleiter gibt es zwei Teile, die jeweils mit einem anderen Material dotiert sind. Der erste ist mit Phosphor dotiert, der fünf Atome in seiner Hülle besitzt. Wenn es sich mit dem Silizium verbindet, bleibt ein Atom ungebunden. Da dieses Elektron nur vom Kern an Ort und Stelle gehalten wird, benötigt es weniger Energie, um es loszuschlagen. Dies erzeugt (negatives) Silizium vom N-Typ.

Silizium kann auch mit Bor dotiert werden, das nur drei Elektronen in seiner Hülle hat. Dies erzeugt P-Typ (positives) Silizium, das Löcher bietet, die freie Elektronen dann füllen können.

Wenn Energie auf das Silizium trifft, kann es die zusätzlichen Elektronen auf der N-Seite frei schlagen und sie bewegen sich, um die Löcher auf der P-Seite zu füllen. Danach kommen die Elektronen vom N-Typ und P-Typ zusammen und bilden ein elektrisches Feld. Die Solarzelle wird zu einer Diode, die es den Elektronen ermöglicht, sich von P nach N zu bewegen, aber nicht in die andere Richtung.

Sonnenlicht trifft auf das Silizium und löst die freien Elektronen auf der N-Seite, die sich dann bewegen, um die Löcher auf der P-Seite zu füllen. Sonnenlicht trifft auf das Silizium und löst die freien Elektronen auf der N-Seite, die sich dann bewegen, um die Löcher auf der P-Seite zu füllen.

Natürlich benötigt dieser Prozess Energie, um auf die Siliziumzelle zu treffen. Hier kommt Sonnenlicht ins Spiel. Sonnenlicht besteht aus Photonen, kleinen Energieteilchen, die auf die Solarzelle treffen und die Elektronen auf der N-Seite lösen können. Die freien Elektronen fließen von N nach P und erzeugen beim Durchgang elektrischen Strom.

Sobald das elektrische Feld erzeugt wurde, bleibt es nur noch zu nutzen. Ein Wechselrichter wird häufig an die Solarzelle angeschlossen - oder häufiger an eine Gruppe von Zellen, die als Modul bezeichnet werden - und wandelt den Strom von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um, sodass er für den Transport nach Hause bereit ist oder Unternehmen.

Ineffizienzen und aktuelle Forschung

Trotz der (in jeder Hinsicht) grenzenlosen Kraft der Sonne ist die Technologie zur Umwandlung in nutzbaren Strom immer noch ziemlich ineffizient. Nicht die gesamte Sonnenenergie wird von einem Solarpanel absorbiert. In der Tat ist das meiste davon verloren. Generell wandeln die besten Solarzellen nur 25 Prozent der Energie, die sie erhalten, in Strom um. Dies liegt daran, dass Sonnenlicht wie alles Licht aus einem Spektrum mehrerer verschiedener Wellenlängen besteht, von denen jede ihre eigene Intensität aufweist. Einige Wellenlängen sind zu schwach, um die Elektronen loszuwerden. Andere Wellenlängen sind zu stark, als dass das Silizium seine volle Energie nutzen könnte.

Darüber hinaus erfordern Solarmodule eine sehr spezifische Platzierung. Der Winkel der Paneele muss genau richtig sein, um die maximale Menge an Sonnenlicht einzufangen, und wie zu erwarten ist, sind die Paneele nur in Bereichen nützlich, in denen viel Sonnenschein scheint. Schlechtes Wetter kann eine Reihe von Paneelen in eine sehr teure und insgesamt nicht interessante Kunstinstallation verwandeln.

Die Forschung zu effizienteren Solarmodulen ist im Gange. Aus Cadmium hergestellte Dünnschichtsolarzellen sind dünner als Siliziumzellen und absorbieren Sonnenenergie besser. Sie sind derzeit auch schlechter darin, diese Energie in Elektrizität umzuwandeln. Aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer günstigen Größe sind sie jedoch ein attraktiver Weg für weitere Forschung.

Die andere wichtige Entwicklung ist „schwarzes Silizium“, das wie ein MacGuffin aus einer Fantasy-Geschichte klingt, aber trotz des bedrohlichen Namens wirklich ziemlich harmlos ist. Schwarzes Silizium ist einfach Silizium, das mit einer schwarzen Oberfläche behandelt wurde. Dies ist wichtig, da schwarze Objekte mehr Licht absorbieren. Eine kurze Auffrischung zur Physik: Sichtbares Licht wird in verschiedene Wellenlängen unterteilt, die jeweils als Farbbereich betrachtet werden. Wir nehmen Objekte mit einer bestimmten Farbe wahr, weil sie diese bestimmte Wellenlänge reflektieren und andere absorbieren. Schwarze Objekte absorbieren alle Farben und reflektieren keine, daher erscheinen sie schwarz.

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Schwarzes Silizium hat ein großes Potenzial, absorbierendere Solarzellen herzustellen, insbesondere in Bereichen, in denen das Sonnenlicht spärlich ist oder in denen die Sonne normalerweise in einem niedrigen Winkel einfällt. Der große Nachteil im Moment ist, dass der Prozess der Erzeugung von schwarzem Silizium eine größere Oberfläche ergibt, was zu einer Zunahme der Trägerrekombination führt, ein Ereignis, bei dem ein freigesetztes Elektron einfach mit der Siliziumzelle rekombiniert, anstatt sich zu einem anderen Atom und zu bewegen Erzeugen eines elektrischen Stroms.  

Abgesehen von Mängeln wird derzeit an schwarzem Silizium geforscht, und kürzlich ist es Wissenschaftlern in Finnland gelungen, die Fälle von Trägerrekombination zu reduzieren und so die Energieumwandlung auf 22,1 Prozent zu erhöhen. Es ist nicht ganz so gut wie typisches Silizium, aber dennoch eine vielversprechende Verbesserung.