PHOTOVOLTAIK

Was ist Photovoltaik und wie funktioniert sowas ?

Das Wort Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mit Hilfe von Solarzellen. Es ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physiker Allesandro Volta. Die Umwandlung beruht auf dem Photoeffekt, der bereits 1839 von Alexander Bequerel entdeckt worden ist. Man versteht darunter die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Unter der Zufuhr von Licht oder Wärme werden diese elektrisch leitfähig, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken. Die meisten auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Silizium bietet gleich zwei Vorteile:

• es ist das zweithäufigste Element welches in der Erdrinde in ausreichender Menge vorhanden ist,
• die Verarbeitung des Materials ist umweltverträglich

Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert". Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuß (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuß (n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielen kann. Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter p-n-Übergang. An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontaktekann eine elektrische Spannung abgegriffen werden.

Eigenschaften einer Solarzelle

Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5V. Im Gegensatz zur Stromstärke ist die Klemmspannung nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig. Die Stromstärke steigt bei höherer Beleuchtungsstärke an.

Die Leistung einer Solarzelle (Leistung = Produkt aus Strom und Spannung) ist temperaturabhängig.

Von der Zelle zum Modul

Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet. Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhere Spannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen höheren Strom. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt.
Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Wpeak und 100 Wpeak. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die von den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit in der Regel 10 Jahren recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Produkte.

Neue Wege

Oberflächenstrukturierung zur Verminderung von Reflexionsverlusten: Zum Beispiel Aufbau der Zelloberfläche in Pyramidenstruktur, damit einfallendes Licht mehrfach auf die Oberfläche trifft. Neue Materialien: Zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2).
Tandem- oder Stapelzellen: Um ein breiteres Strahlungsspektrum nutzen zu können, werden unterschiedliche Halbleitermaterialien, die für verschiedene Spektralbereiche geeignet sind, übereinander angeordnet.
Konzentratorzellen: Durch die Verwendung von Spiegel- und Linsensystemen wird eine höhere Lichtintensität auf die Solarzellen fokussiert. Diese Systeme werden der Sonne nachgeführt, um stets die direkte Strahlung auszunutzen.
MIS-Inversionsschicht-Zellen: Das innere elektrische Feld wird nicht durch einen p-n-Übergang erzeugt, sondern durch den Übergang einer dünnen Oxidschicht zu einem Halbleiter.
Grätzel-Zelle: Elektrochemische Flüssigkeitszelle mit Titandioxid als Elektrolyten und einem Farbstoff zur Verbesserung der Lichtabsorption.

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