- So wird per Photovoltaik Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt -
Solarenergie als Energietechnologie der Zukunft? Im folgenden wird Photovoltaikanlagen genauer analysiert und die erklärt, wie die Technologie funktioniert.
- Die Sonne strahlt pro Sekunde eine durchschnittliche Energiemenge von 165 J/m2 auf die Erdoberfläche. Hochgerechnet auf das Jahr ergibt sich eine aufgenommene Strahlungsenergie von 5,2*109 J/m2.
- Der Energiebedarf Deutschlands betrug im Jahr 2010 14*1018 J.
- Bei einem Solarzellen-Wirkungsgrad von 30% müsste man also „nur“ eine Fläche von knapp 9000 km2 mit Solarzellen pflastern, um den Energiebedarf Deutschlands komplett mit erneuerbaren Energien zu decken.
Diese Fläche entspricht 1,25 Millionen Fußballplätzen oder etwa der Hälfte der Fläche Hessens. Bevor du jedoch auf den Dächern der hessischen Wohnungseigentümer Solaranlagen montierst, solltest du erstmal verstehen, wie diese funktionieren.
Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?
Der Aufbau einer Solarzelle wird in der oberen Abbildung beispielhaft an einer Silizium-Zelle dargestellt. Diese ist zwar nicht mehr auf dem Stand der Technik und erreicht auch keine Wirkungsgrade von 30%, dient aber sehr gut zur Erklärung des Photovoltaik-Prinzips.
- Am oberen und unteren Rand der Zelle befinden sich metallische Leiter. Der obere Leiter ist auf makroskopischer Ebene ein Gitter, damit Licht passieren kann.
- Die obere Siliziumschicht der Zelle ist mit Phosphor-Atomen dotiert, die untere Schicht mit Bor-Atomen. Phosphor besitzt fünf, Silizium vier und Bor drei Valenzelektronen auf der äußeren Schale.
- Wenn sich die untere und obere Schicht berühren, bewegen sich einige Elektronen der Phosphor-Atome in die Lücken der Bor-dotierten, unteren Schicht. Dadurch bildet sich ein Ladungsgefälle. Der obere Bereich der unteren Schicht ist nun negativ geladen, der untere Bereich der oberen Schicht positiv.
- So entsteht eine Grenzschicht, die ein Magnetfeld ausbildet, welches keinen weiteren Elektronenfluss zulässt. Nach Bildung der Grenzschicht ist das System in Ruhe und es gibt keinen Ladungsaustausch mehr.
Was passiert, wenn Sonnenstrahlung auf die Solarzelle trifft?
- Trifft nun ein Photon von der Sonne auf die obere Schicht, wird ein Elektron aus dem Silizium-Phosphor-Gitter „herausgeschlagen“ (gelbe Kugel mit schwarzem Minus).
- Dadurch entsteht eine Lücke (schwarze Kugel mit blauem Plus), die durch die Grenzschicht an den unteren Rand der Silizium-Bor-Schicht wandert.
- Das Elektron kann sich nicht durch die Grenzschicht bewegen und nimmt daher den langen Weg von Leiter zu Leiter und füllt die gewanderte Lücke wieder auf.
- So entsteht ein Stromfluss und die Strahlungsenergie der Sonne ist erfolgreich in elektrische Energie umgewandelt worden.
