Solarzellen
Die Solarzelle ist das Herzstück jeder Photovoltaikanlage. Hier findet die Umwandlung des Sonnenlichts in Solarstrom statt. Das physikalische Prinzip wird photovoltaischer Effekt genannt. Was das bedeutet und wie eine Solarzelle genau funktioniert, soll hier kurz erklärt werden.
Funktionsweise einer Solarzelle
Der photovoltaische Effekt ist schon seit mehr als 150 Jahren bekannt. Damals entdeckte Becquerel, dass zwischen zwei Halbleiterschichten, die unterschiedlich leitend sind, bei Lichteinstrahlung Strom fließt. Genau diesen Effekt machen sich Solarzellen zunutze. Ein Halbleiter ist ein Stoff, der je nach Temperatur mehr oder weniger elektrische Leitfähigkeit besitzt. Für Solarzellen wird normalerweise Silizium als Halbleiter gewählt. Alternativ können auch Gallium oder Indium genutzt werden.
Eine Solarzelle aus Silizium besteht aus einer oberen, sehr dünnen n-Schicht und einer dickeren p-Schicht. Um am übergang dieser beiden Schichten, dem p-n-übergang, die Entstehung von Elektrizität zu fördern, werden die n- und die p-Schicht künstlich „dotiert“ (verunreinigt). Diese Dotierung erfolgt an der n-Schicht mit Phosphoratomen, an der p-Schicht mit Boratomen. Nun hat die n-Schicht quasi fünf freie Elektronen, die p-Schicht nur drei. Silizium selbst ist vierwertig. Zwischen der n-Schicht und der p-Schicht versuchen die freien Elektronen und Löcher nun, ein Gleichgewicht zu erzeugen. Durch die Sonneneinstrahlung entstehen sogenannte Elektronen-Loch-Paare und es entsteht eine Spannung, die über Kontakte an der n- und der p-Schicht abgenommen werden kann. Je mehr Sonnenlicht auf die Solarzelle auftrifft, umso mehr dieser Elektronen-Loch-Paare können entstehen und die Stromstärke steigt.
Aufbau
Der Aufbau der Solarzelle gestaltet sich also von oben nach unten wie folgt: Kontakte (Minuspol) – n-Schicht – p-n-übergang – p-Schicht – Kontakt (Pluspol). Abgedeckt wird die Solarzelle oben von einer Antireflexschicht. Insgesamt ist eine durchschnittliche Solarzelle nur rund 0,3 Millimeter dick.
Wirkungsgrad
Indem nicht jedes Photon (Lichtteilchen) zu der Bildung von Elektronen-Loch-Paaren führt, ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle begrenzt. übrigens bilden sich mit steigender Temperatur weniger Elektronen-Loch-Paare. Das erklärt auch, warum es so wichtig ist, dass die Betriebstemperatur von Solarzellen möglichst konstant niedrig gehalten wird.
Von der Solarzelle zum Solarmodul
Eine einzelne Solarzelle bringt rund 20 Milliampere Strom. Um diesen Solarstrom überhaupt sinnvoll nutzen zu können, müssen die Solarzellen zusammengeschaltet werden. Hier besteht die Wahl zwischen einer Parallel- und Reihenschaltung. Die Parallelschaltung wird meist nur bei verschatteten oder Inselanlagen gewählt. Bei anderen Anwendungen ist die Reihenschaltung üblich. In den Modulen werden die Solarzellen über Lötverbindungen zwischen Minus- und Pluspol verbunden. Die verschalteten Solarzellen werden in einen transparenten Kunststoff eingebettet und oben mit einer Glasscheibe abgedeckt. Die Rückseite wird mit einer Kunststofffolie geschützt. Es können sowohl reihen- wie auch parallel geschaltete Module miteinander verbunden werden. Die miteinander verschalteten Solarmodule nennt man dann Solargenerator.
Zusammenfassung
In einer Solarzelle wird der photovoltaische Effekt zur Erzeugung von Strom genutzt. Treffen Photonen (Sonnenlicht) auf die n-Schicht der Solarzelle, entstehen Elektronen-Loch-Paare und eine Spannung, die an den Plus- und Minuspolen der Solarzelle über Kontakte entnommen wird. Der Wirkungsgrad der Zellen nimmt bei hohen Temperaturen ab. Solarzellen werden in den Solarmodulen miteinander verschaltet, je nach Anwendungsbereich in Reihe oder parallel. Die Anzahl der Solarzellen in einem Modul ist frei wählbar.
