War Ihnen bekannt, dass die Menge der Energie, die die Sonne in einer Stunde auf die Erde strahlt, höher ist als die Energie, die die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht? Das klingt unglaublich, ist aber tatsächlich so. Genau diese unerschöpfliche Energiequelle machen sich Solarzellen zunutze.
Oft wird die Solarzelle mit einem Blatt verglichen, das Sonnenlicht in Energie umwandelt. Aber wie funktioniert eine Solarzelle tatsächlich auf molekularer Ebene? Diese Frage stellen sich viele, die sich für erneuerbare Energien interessieren. Hinter diesem kleinen, oft unscheinbaren Bauteil steckt eine faszinierende Technologie.
Was ist eine Solarzelle, funktioniert eine Solarzelle und warum sind Solarzellen so wichtig?
Eine Solarzelle ist ein kleines Wunderwerk der Technik, das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandelt. Stellen Sie sich vor, Sie hätten ein kleines Kraftwerk auf ihrem Dach oder ihrem Balkon, etwa das Jackery Navi 2000 Balkonkraftwerk, das ganz ohne Lärm oder Abgase sauberen Strom produziert. Genau das ist eine Solarzelle!
Solarzellen sind ein wichtiger Baustein für eine nachhaltige Energieversorgung und spielen eine entscheidende Rolle bei der Energiewende. Sie können sowohl für große Kraftwerke, für Betriebe, Häuser und Wohnungen als Photovoltaik Anlage oder auch als Balkonkraftwerk. Sie können aber auch für kleine Geräte wie Gartenbeleuchtung, Taschenrechner oder Solarladegeräte eingesetzt werden.
Wie wie funktioniert eine Solarzelle oder wie entsteht Strom aus Sonnenlicht?
Ein Vergleich hilft, die Frage: „wie funktioniert eine Solarzelle?“ zu beantworten: Stellen Sie sich vor, die Solarzelle ist eine Pumpe. Das Sonnenlicht ist das Wasser, das die Pumpe antreibt. Die Pumpe, ist bei der Solarzelle der der p-n-Übergang. Sie hebt das Wasser, die Elektronen,, nach oben, und das Wasser fließt dann durch ein Rohr, um eine Turbine anzutreiben oder im Falle der Photovoltaik, eine Lampe zum Leuchten zu bringen.
Wie funktioniert eine Solarzelle: die physikalischen Grundlagen
Stellen Sie sich Sonnenlicht als einen Strom winziger Energiepakete vor. Diese Pakete nennen wir Photonen. Sie sind wie kleine Lichtteilchen, die mit unglaublicher Geschwindigkeit durch den Raum sausen. Wenn ein Photon auf ein Material trifft, kann es seine Energie abgeben. Solch ein Material ist bei einer Solarzelle ein Halbleiter, Darunter versteht man ein Material, das weder ein guter Leiter noch ein guter Isolator ist. Man kann sich das so vorstellen: Es liegt irgendwo zwischen einem Metall (das Strom sehr gut leitet) und einem Kunststoff (der Strom überhaupt nicht leitet). Silizium, das Hauptbestandteil von Computerchips, ist ein typischer Halbleiter.
Der p-n-Übergang ist das Herzstück einer Solarzelle. Wenn man zwei unterschiedlich dotierte Siliziumschichten, eine mit einem Überschuss an Elektronen, die n-Schicht, und eine mit einem Mangel an Elektronen, die p-Schicht) zusammenbringt, entsteht an der Grenzfläche ein elektrisches Feld. Dieses Feld ist wie eine kleine Barriere, die normalerweise verhindert, dass Elektronen frei fließen.
Was ist der Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarzelle ?
Obwohl die Begriffe oft synonym verwendet werden, gibt es einen feinen, aber wichtigen Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarzelle.
Eine Solarzelle ist ein elektronisches Bauteil, das Lichtenergie direkt in elektrische Energie umwandelt. Stellen Sie sich eine kleine Fabrik vor, die Sonnenlicht in Strom verwandelt.
Photovoltaik ist das umfassendere Konzept. Photovoltaik beschreibt die gesamte Technologie, die sich mit der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen beschäftigt. Es beinhaltet nicht nur die einzelnen Zellen, sondern auch die Module, in denen sie zusammengefasst sind, sowie die gesamte Anlage zur Stromerzeugung und -speicherung.
Ein Analogie:
Stellen Sie sich ein Fahrrad vor. Die Kette ist ein einzelnes Teil (vergleichbar mit der Solarzelle), aber das gesamte Fahrrad, einschließlich Rahmen, Räder und Lenker, ist das Fahrrad (vergleichbar mit der Photovoltaikanlage).
Warum ist dieser Unterschied wichtig?
Wenn Sie über die Installation einer Solaranlage auf Ihrem Dach nachdenken, sprechen Sie in der Regel von einer Photovoltaikanlage. Diese besteht aus vielen Solarzellen, die in Module zusammengefasst sind. Die Photovoltaik beschreibt den gesamten Prozess von der Sonneneinstrahlung bis zur Nutzung des erzeugten Stroms.
Der Prozess in der Solarzelle.
Wenn Sie sich fragen: Wie funktioniert eine Solarzelle?, ist es wichtig, den physikalischen Prozess, der hinter der Energiegewinnung aus Sonnenlicht steckt, zu verstehen.
Vereinfacht gesagt wandelt die Solarzelle die Energie der Lichtteilchen, der Photonen),in elektrische Energie um, indem sie Elektronen aus ihren ursprünglichen Bindungen löst und sie dazu bringt, sich in eine bestimmte Richtung zu bewegen.
1. Photonen treffen auf die Solarzelle: Wenn ein Photon auf die Solarzelle trifft, gibt es seine Energie an ein Elektron in der Halbleiterschicht ab.
2. Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren: Das Elektron erhält durch das Photon so viel Energie, dass es sich aus seiner ursprünglichen Bindung löst. Dadurch entsteht eine Lücke, die wir als "Loch" bezeichnen.
3. Trennung der Ladungsträger: Das erzeugte Elektron wird durch das elektrische Feld des p-n-Übergangs in die n-Schicht getrieben, während das Loch in die p-Schicht wandert.
4. Entstehung eines elektrischen Stroms: Wenn die Solarzelle an einen Stromkreis angeschlossen ist, können die Elektronen durch den äußeren Kreis fließen und dabei Arbeit verrichten, z.B. eine Lampe zum Leuchten bringen.
Die Solarzelle Funktion etwas genauer betrachten:
Wie funktioniert eine Solarzelle? Oder was passiert, wenn Licht auf eine Solarzelle trifft?
Wenn ein Lichtteilchen (Photon) auf die Solarzelle trifft, gibt es seine Energie an ein Elektron in der Halbleiterschicht ab. Dieses Elektron wird sozusagen "angeregt" und erhält genügend Energie, um sich aus seiner ursprünglichen Bindung zu lösen. Man kann sich das vorstellen wie ein Ball, der so stark geschleudert wird, dass er aus seiner Verankerung fliegt.
Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren
Durch die Abgabe der Energie des Photons an das Elektron entsteht in der Kristallstruktur des Halbleiters eine Lücke. Diese Lücke wird als "Loch" bezeichnet. Man kann sich das Loch als eine Art "positiv geladenes Teilchen" vorstellen, da es das fehlende Elektron repräsentiert. Das Elektron-Loch-Paar ist also eine Art "Teilchen-Antiteilchen-Paar" in der Welt der Halbleiter.
Entstehung eines elektrischen Stroms
Durch das elektrische Feld des p-n-Übergangs werden die negativ geladenen Elektronen in die n-dotierte Schicht gedrängt, während die positiv geladenen Löcher in die p-dotierte Schicht wandern. Das ist ähnlich wie bei einem Magneten, der Eisenspäne anzieht. Wenn die Solarzelle an einen elektrischen Kreis angeschlossen wird, können die Elektronen durch den äußeren Kreis fließen und dabei Arbeit verrichten, z.B. eine Lampe zum Leuchten bringen. Die Löcher bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung, was ebenfalls zum Stromfluss beiträgt. Um einen kontinuierlichen Stromfluss zu gewährleisten, muss die Ladungstrennung am p-n-Übergang ständig aufrechterhalten werden. Das geschieht durch das kontinuierliche Auftreffen von Photonen und die damit verbundene Erzeugung neuer Elektron-Loch-Paare.
Der Aufbau einer Solarzelle
Ein weiterer Punkt, um die Frage: Wie funktioniert eine Solarzelle“ zu beantworten, ist der Aufbau eines Photovoltaik Elements. Der Aufbau einer Solarzelle ist relativ einfach, aber die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse sind komplex. Durch die Wahl geeigneter Materialien und eine optimierte Schichtung kann der Wirkungsgrad von Solarzellen kontinuierlich verbessert werden.
Die verwendeten Materialien
Silizium ist zweifellos das am häufigsten verwendete Material für Solarzellen. Es ist ein Halbleiter, der in der Natur reichlich vorhanden und relativ günstig zu gewinnen ist. Silizium hat sich aufgrund seiner guten Eigenschaften wie hoher Effizienz und Langlebigkeit durchgesetzt.
Andere Halbleitermaterialien werden ebenfalls eingesetzt, um die Eigenschaften von Solarzellen zu optimieren oder um neue Anwendungen zu erschließen. Dazu gehören:
· Galliumarsenid (GaAs): Bietet höhere Wirkungsgrade als Silizium, ist jedoch teurer in der Herstellung. Wird oft in speziellen Anwendungen wie Satelliten oder konzentrierenden Solaranlagen eingesetzt.
· Kadmiumtellurid (CdTe): Dünnschicht-Solarzellen aus Kadmiumtellurid sind kostengünstiger in der Herstellung und weisen eine gute Leistung auf.
· CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid): Eine weitere Dünnschichttechnologie, die sich durch hohe Effizienz und Flexibilität auszeichnet.
Perowskite: Eine relativ neue Klasse von Materialien, die in den letzten Jahren aufgrund ihres hohen Potenzials für niedrige Herstellungskosten und hohe Wirkungsgrade intensiv erforscht wird.
Schichten einer Solarzelle
Um die Frage: „Wie funktioniert eine Solarzelle?“ zu klären, ist auch der Aufbau einer Zelle wichtig. Eine typische Solarzelle besteht aus mehreren Schichten:
· Vorderseite: Die Vorderseite ist mit einer Antireflexbeschichtung versehen, um möglichst viel Licht in die Zelle einzukoppeln.
· p-Schicht: Diese Schicht ist dotiert, um einen Überschuss an "Löchern" (fehlenden Elektronen) zu erzeugen.
· n-Schicht: Diese Schicht ist dotiert, um einen Überschuss an Elektronen zu erzeugen.
· p-n-Übergang: Die Grenzfläche zwischen der p- und der n-Schicht bildet den eigentlichen Bereich, in dem die Ladungsträger getrennt werden und der elektrische Strom entsteht.
Rückseite: Die Rückseite reflektiert das Licht, das nicht in der Zelle absorbiert wurde, zurück in die aktive Schicht.
Zellenverbindung
Einzelne Solarzellen werden zu Modulen verbunden, um die Leistung zu erhöhen. Dabei werden die Zellen in Reihe oder parallel geschaltet.
· Reihenschaltung: Die Spannung wird erhöht, der Strom bleibt gleich.
· Parallelschaltung: Der Strom wird erhöht, die Spannung bleibt gleich.
Die Wahl der Schaltung hängt von der Anwendung ab. Für eine hohe Spannung werden die Zellen in Reihe geschaltet, für einen hohen Strom in parallel.
Zusätzliche Aspekte zur Frage: Wie funktioniert eine Solarzelle?“:
· Rahmen und Glas: Solarmodule sind in einen Rahmen aus Aluminium oder Kunststoff gefasst und mit einer Glasscheibe abgedeckt. Der Rahmen schützt die Zellen vor mechanischen Beschädigungen und die Glasscheibe vor Witterungseinflüssen.
· Junction Box: Die Junction Box ist eine kleine Box, die auf der Rückseite des Moduls angebracht ist. Sie dient zum Anschluss der einzelnen Zellen und zur Ableitung des erzeugten Stroms.
· Dioden: Um Verluste durch Rückstrom zu vermeiden, werden in Solarmodulen Dioden eingesetzt. Diese verhindern, dass Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt..
Wirkungsgrad und Effizienz von Solarzellen
Um die Frage Wie funktioniert eine Solarzelle? Zu beantworten, haben wir uns mit dem Aufbau und den Materialen beschäftigt. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle . Das ist ein wichtiger Faktor für die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage. Durch die Berücksichtigung der oben genannten Faktoren und die kontinuierliche Weiterentwicklung der Technologie können die Wirkungsgrade von Solarzellen weiter gesteigert werden.
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie viel Prozent der einfallenden Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird. Je höher der Wirkungsgrad ist, desto mehr elektrische Energie kann eine Solarzelle aus Sonnenlicht erzeugen.
Was beeinflusst den Wirkungsgrad?
Eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst den Wirkungsgrad einer Solarzelle:
· Sonnenstrahlung:
· Intensität: Je höher die Intensität der Sonneneinstrahlung, desto mehr Energie steht zur Verfügung, die in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
· Spektralkomposition: Das Sonnenlicht besteht aus verschiedenen Wellenlängen. Nicht alle Wellenlängen werden von einer Solarzelle gleich gut genutzt.
· Einfallswinkel: Bei einem steilen Einfallswinkel trifft mehr Licht auf eine bestimmte Fläche als bei einem flachen Winkel.
· Temperatur:
· Mit steigender Temperatur nimmt der Wirkungsgrad einer Solarzelle ab. Dies liegt daran, dass bei höheren Temperaturen mehr Ladungsträger rekombinieren, bevor sie zum Stromfluss beitragen können.
· Zelltyp:
· Monokristallin: Monokristalline Zellen haben in der Regel den höchsten Wirkungsgrad, da sie aus einem einzigen Siliziumkristall bestehen und somit weniger Verluste durch Korngrenzen aufweisen.
· Polykristallin: Polykristalline Zellen bestehen aus mehreren kleineren Kristallen und haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad als monokristalline Zellen.
· Dünnschicht: Dünnschichtzellen, wie beispielsweise CIGS- oder CdTe-Zellen, sind flexibler und leichter als herkömmliche Siliziumzellen, haben aber oft einen geringeren Wirkungsgrad.
Verluste in Solarzellen
Es gibt verschiedene Verluste, die den Wirkungsgrad einer Solarzelle verringern:
· Reflexionsverluste: Ein Teil des einfallenden Lichts wird an der Oberfläche der Solarzelle reflektiert und trägt nicht zur Stromerzeugung bei.
· Absorptionsverluste: Nicht alle Photonen werden von den Halbleitern absorbiert. Ein Teil der Photonen passiert die Zelle, ohne seine Energie abzugeben.
· Rekombinationsverluste: Erzeugte Elektron-Loch-Paare können wieder zusammenkommen (rekombinieren), bevor sie zur Elektrode gelangen und zum Stromfluss beitragen.
· Ohmsche Verluste: In den elektrischen Leitungen innerhalb der Solarzelle und in den Kontakten entstehen durch den Stromfluss Ohmsche Verluste.
· Wärmeverluste: Ein Teil der absorbierten Energie wird in Wärme umgewandelt und steht nicht mehr für die Stromerzeugung zur Verfügung.
Maßnahmen zur Erhöhung des Wirkungsgrads
Um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen, werden verschiedene Maßnahmen ergriffen:
· Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit: Antireflexbeschichtungen reduzieren die Reflexionsverluste.
· Optimierung der Dotierung: Durch eine gezielte Dotierung der Halbleiter kann die Ladungsträgertrennung verbessert werden.
· Verwendung neuer Materialien: Neue Materialien wie Perowskite bieten das Potenzial für höhere Wirkungsgrade.
· Kühlung von Solarmodulen: Durch eine aktive oder passive Kühlung kann die Temperatur der Solarmodule reduziert und somit der Wirkungsgrad erhöht werden.
· Mehrfachübergangszellen: Mehrfachübergangszellen können einen größeren Teil des Sonnenspektrums nutzen und so höhere Wirkungsgrade erreichen.
Die Mini-Balkonkraftwerke für jeden – Jackery Navi 2000 Balkonkraftwerk
Ein Balkonkraftwerk ist eine kleine, solarbetriebene Stromerzeugungsanlage, die an einem Balkon, einem Garagendach oder einer Hauswand installiert wird. Sie wandelt Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Das Jackery Navi 2000 Balkonkraftwerk ist ein Beispiel für ein solches Balkonkraftwerk. Es zeichnet sich durch seine Kompaktheit und Flexibilität aus. Damit können Sie einen Teil Ihres selbst erzeugten Stroms direkt verbrauchen und somit Ihre Stromkosten senken. Das Balkonkraftwerke ist in der Regel einfach zu installieren. Bei Mietwohnungen ist die Zustimmung des Vermieters erforderlich.
Es wird lediglich ein sonniger Platz am Balkon oder an der Fassade benötigt. Besonders das Modell Jackery Navi 2000 ist besonders flexibel, da es auch mobil einsetzbar ist. Damit werden Sie zum Beispiel auch beim Camping weniger abhängig vom Netanschluss.
Fazit
Die Zukunft der Solarenergie ist vielversprechend. Durch die Weiterentwicklung von Speichertechnologien, die Einführung intelligenter Netze und die Sektorenkopplung können die Herausforderungen der Netzintegration und der Speicherung von Solarstrom bewältigt werden. Die Solarenergie wird damit zu einem wichtigen Baustein für eine nachhaltige und sichere Energieversorgung beitragen.
FAQs: Wie funktioniert eine Solarzelle?
1. Was ist eine Solarzelle?
Eine Solarzelle ist ein elektronisches Bauteil, das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandelt. Sie ist das Herzstück jeder Photovoltaikanlage.
2. Wie funktioniert eine Solarzelle?
Wenn Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, werden Elektronen in dem Halbleitermaterial (meist Silizium) angeregt und können sich frei bewegen. Diese Bewegung erzeugt einen elektrischen Strom.
3. Aus welchem Material besteht eine Solarzelle? Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium, einem Halbleitermaterial. Es gibt aber auch andere Materialien wie Cadmiumtellurid oder CIGS, die in Solarzellen verwendet werden.
4. Was ist der Unterschied zwischen monokristallinen, polykristallinen und Dünnschicht-Solarzellen?
· Monokristalline: Bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall und haben den höchsten Wirkungsgrad.
· Polykristalline: Bestehen aus mehreren kleineren Siliziumkristallen und sind etwas günstiger als monokristalline Zellen.
· Dünnschicht: Sind sehr dünn und flexibel, bestehen aus verschiedenen Materialien und sind oft auf großen Flächen aufgebracht.
6. Was ist der Unterschied zwischen Solarthermie und Photovoltaik?
· Solarthermie: Nutzt die Sonnenwärme zur Warmwasserbereitung oder Heizung.
· Photovoltaik: Wandelt Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um.
