Wie Solarzellen funktionieren – Komponenten & Betrieb von Solarzellen

Da eine Solarzelle der einzige Generator in einer Solaranlage ist, ist sie einer der wichtigsten Komponenten. In den folgenden Abschnitten geben wir eine einfache Einführung in wie funktioniern Solarzellen.

Die Solarzelle

Um zu verstehen, wie funktioniern Solarzellen und wie entsteht elektrischer Strom, ist zunächst die Umwandlung der Sonnenenergie zu betrachten. Dies erfolgt in der kleinsten Einheit einer Solaranlage, der Solarzelle.

Eine Solarzelle ist ein elektrisches Festkörperelement mit pn-Übergang, das die Lichtenergie durch den photovoltaischen Effekt direkt in elektrischen Strom (DC, Gleichstrom) umwandelt. Der Umwandlungsprozess erfordert zunächst ein Material, das die Sonnenenergie in Form von Photonen absorbiert und dann ein Elektron in einen höheren Energiezustand bringt. Schließlich erfolgt der Fluss dieses hochenergetischen Elektrons zu einer externen Schaltung.

Silizium ist ein solches Material, das ein solches Verfahren ermöglicht. Dazu wird bei einer Solarzelle eine dünne Schicht Silizium auf ein Trägermaterial aufgebracht und an der Vorder- und Rückseite mit Kontakten versehen. Einige Solarzellen sind zudem an der Vorderseite mit einer Antireflex-Beschichtung vergütet.

Monokristalline Solarzellen zeichnen sich durch ihren hohen Wirkungsgrad aus. Polykristalline Solarzellen sind günstiger in der Herstellung und bieten das beste Preis-Leistungs-Verhältnis.

Der pn-Übergang

Das Verständnis des pn-Übergangs ist entscheidend, um wie funktioniern Solarzellen zu verstehen. Der pn-Übergang wird durch die Verbindung von p-Typ (hohe Konzentration von Elektronenmangel) und n-Typ (hohe Konzentration von Elektronen) Halbleitermaterial gebildet. Durch diese Verbindung versuchen überschüssige Elektronen vom n-Typ in den Löchern vom p-Typ zu diffundieren. Die Bewegung der Elektronen auf die p-artige Seite setzt positive Ionenkerne auf der n-artigen Seite frei, während die Bewegung auf der n-artigen Seite negative Ionenkerne auf der p-artigen Seite freilegt. Dies führt zu einem Elektronenfeld an der Verbindung und bildet den sogenannten Depletionsbereich.

Ein lichterzeugender Strom

Die Stromerzeugung in einer Solarzelle beinhaltet zwei wichtige Prozesse.

1. Absorption von einfallenden Photonen

Elektronen-Loch-Paare werden in der Solarzelle erzeugt, vorausgesetzt, dass das einfallende Photon eine Energie aufweist, die größer ist als die der Bandlücke. Elektronen (im p-Typ-Material) und Löcher (im n-Typ-Material) sind jedoch metastabil und existieren im Durchschnitt nur für eine Zeitspanne, die der Lebensdauer der Minoritätsträger entspricht, bevor sie sich rekombinieren.

Wenn der Träger rekombiniert, dann geht das lichterzeugte Elektron-Loch-Paar verloren und es kann kein Strom oder keine Leistung erzeugt werden.

Die Sammlung dieser Träger durch den pn-Übergang verhindert diese Rekombination, indem sie das Elektron und das Loch in einem pn-Übergang räumlich voneinander trennt. Die Träger sind durch die Wirkung des elektrischen Feldes am pn-Übergang getrennt. Erreicht der lichterzeugte Minoritätsträger den pn-Übergang, wird er durch das elektrische Feld an der Verbindung über den Übergang geführt, wo er nun ein Mehrheitsträger ist. Sind Emitter und Basis der Solarzelle miteinander verbunden, ist die Solarzelle also kurzgeschlossen, so durchströmen die lichterzeugten Träger den externen Stromkreis.

Photovoltaik-Effekt

Die Sammlung von lichtgenerierten Trägern allein führt noch nicht zu einer Stromerzeugung. Um Strom zu erzeugen und zu verstehen, wie funktioniern Solarzellen, muss neben einem Strom auch eine Spannung erzeugt werden. Die Spannung wird in einer Solarzelle durch einen Prozess erzeugt, der als „photovoltaischer Effekt“ bezeichnet wird. Die Ansammlung von lichterzeugten Trägern durch den pn-Übergang bewirkt eine Bewegung von Elektronen auf die n-artige Seite und Löcher auf die p-artige Seite des Übergangs. Im Kurzschlussfall verlassen die Träger das Solarmodul als lichterzeugter Strom..

Die Solarzelle in der Solaranlage

Ein einfaches Solar-Photovoltaik-System besteht aus mehreren Grundkomponenten:

Solarzelle: Der Solarzelle als ein elektrisches Festkörperelement (pn-Übergang), das die Lichtenergie durch den photovoltaischen Effekt direkt in Strom (Gleichstom) umwandelt. Eine Solarzelle wird kategorisiert als Multi-Junction-Zelle, Single-Junction-Zelle, kristalline Zelle, Dünnschichttechnologie oder eine der Arten von neuen Solarzellen (wie organische Zellen, usw.).

Solarmodul: Zusammenschlüsse einzelner Solarzellen werden als Solarmodule bezeichnet. Die Solarzellen werden je nach gewünschter Leistung über einen Draht parallel oder in Reihe geschaltet. Wenn mehr Strom gewünscht wird, werden die Zellen parallel geschaltet. Ist hingegen eine höhere Spannung erforderlich, so werden die Zellen in Reihe geschaltet. In gebräuchlichen Solarmodulen erfolgt eine Kombination beider Schaltungen, um sowohl den Strom als auch die Spannung zu erhöhen.

Kategorien: Blog

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.