Solaranlagen: Wie funktioniert eine Solarzelle?
Wie garantieren wir auch in Zukunft die Energieversorgung? So oder ähnlich formulieren Wissenschaftler und Politiker eine der drängendsten Fragen der Menschheit. Eine der mächtigsten Energiequellen ist die Sonne. Obwohl nur ein Bruchteil ihres Lichts und ihrer Wärme die Erde erreicht, würde die Energie der Sonne, die in einem Jahr auf die Erde trifft, theoretisch ausreichen, um den weltweiten Energiebedarf für 15 Jahre zu sichern.
Auf jeden einzelnen Quadratmeter der Erde treffen im Jahresmittel laut Deutschem Zentrum für Luft- und Raumfahrt Sonnenstrahlen mit einer Intensität von 1340 Watt. Zum Vergleich: Über 400 Kernkraftwerke müssten viele Millionen Jahre mit voller Kraft laufen, um so viel Energie zu produzieren, wie die Sonne in nur einer einzigen Sekunde erzeugt. Solarzellen helfen dabei, einen Teil dieser Energie in Strom umzuwandeln und so Häuser zu heizen, E-Autos zu betanken oder Lampen zum Strahlen zu bringen.
Solaranlage – ein Name, zwei Endprodukte
Hinter diesem Begriff verstecken sich zwei verschiedene Techniken. Beide nehmen die Energie der Sonne auf und wandeln sie um. Es entsteht aber jeweils ein anderes Endprodukt: Solarthermieanlagen nutzen das Sonnenlicht, um Wärme zu erzeugen. Photovoltaikanlagen nutzen das Sonnenlicht, um Strom zu erzeugen. Kern einer Photovoltaikanlage sind Solarzellen. Wie genau die Solarzellen Strom erzeugen, erklären wir im Folgenden.
Wie funktioniert eine Solarzelle in einer Photovoltaikanlage?
Zwei Komponenten sind bei der Energieumwandlung durch eine Solarzelle in einer Photovoltaikanlage besonders wichtig: zum einen das Element Silizium, das ein Bestandteil von Sand ist und auf der Erde in so großer Menge vorhanden ist, dass es als unerschöpflich gilt. Und zum anderen die Sonnenstrahlen, die winzige Energieträger, die Photonen, enthalten.
Damit möglichst viele Photonen auf das Silizium treffen, ist die Oberseite einer Solarzelle mit einem hauchdünnen Film überzogen: mit der Antireflexschicht. Sie soll verhindern, dass das Sonnenlicht von der Solarzelle reflektiert statt aufgenommen wird.
Nach der Antireflexschicht beginnt ein Gitter aus Leiterbahnen. Sie dienen der Solarzelle als sogenannte obere Kontaktschicht. Auch dieses Metallgitter ist dünn gehalten, damit so viel Licht wie möglich die nächste Schicht erreicht: eine Silizium-Platte.
Durch das Einbringen von Fremdatomen in diese Schichten können die elektrischen Eigenschaften beeinflusst werden. In Siliziumkristallen werden dafür etwa Bor oder Phosphor verwendet. Dieser Vorgang wird als Dotierung bezeichnet.
In dieser ersten – von insgesamt zwei – Silizium-Schichten wurden die Siliziumkristalle gezielt mit Phosphor verunreinigt, also n-dotiert. Die Atome des Phosphors stellen in der Siliziumkristallstruktur einen Elektronenüberschuss her. Ankommende Photonen gleiten durch diese dünne Schicht hindurch.
Die Photonen treffen daher direkt auf die zwischen den beiden Silizium-Schichten gelegene sogenannte Grenzschicht. Sie stellt gewissermaßen eine neutrale Zone dar, in der keine freien Ladungsträger vorhanden sind, weshalb sich dort ein Gleichgewicht zwischen Elektronen und Elektronen-Löchern einstellt.
Die Grenzschicht besteht aus einem weitestgehend reinen Siliziumkristallgitter (Elektronen- und Elektronen-Löcher-Paare). Die Photonen können diese Schicht nicht einfach passieren. Wenn sie auftreffen, reagiert das Element: Die Photonen lösen die negativ geladenen Elektronen aus den Elektronen-Löchern. Diese werden von der ersten Schicht angezogen und bewegen sich zur oberen Schicht zurück.
Zusätzlich werden positiv geladene Teilchen frei, sogenannte Elektronen-Löcher. Diese nehmen die entgegengesetzte Richtung, sie bewegen sich nach unten – zur unteren Silizium-Schicht. Die Kristalle dort wurden gezielt mit Bor verunreinigt, in diesem Falle also p-dotiert. Dadurch kann die Schicht als Minuspol wirken; sie zieht die positiv geladenen Elektronen-Löcher an.
Verbindet man die obere und die untere Kontaktschicht mit einem Stromkabel, schließt man den Kreis zwischen Minus- und Pluspol: Der Strom fließt.
Werden mehrere solcher Zellen in Reihe geschaltet, ergeben sie ein Modul, das aus Glas, Folien und einem Rahmen besteht. Der von diesen Photovoltaikmodulen erzeugte Gleichstrom wird in einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und in das Hausnetz eingespeist.
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