Wie funktionieren eigentlich Solarzellen?
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Solaranlagen sind gefragt wie nie. Doch wie funktioniert ein Solarmodul und wie ist es aufgebaut? In den Solarmodulen befinden sich Solarzellen, die eigentlich die ganze Arbeit verrichten. Sie sind somit der Grund, warum ein Solarmodul funktioniert.
Der kleinste, aber gleichzeitig wichtigste Teil einer Solaranlage ist somit die Solarzelle. Die Solarzelle wandelt die Energie der Sonne in elektrische Energie um. Doch wie funktioniert eine Solarzelle eigentlich? Dieser Frage wird in diesem Artikel nachgegangen.
Die Solarzelle und ihre Funktionsweise?
Wie bereits erwähnt, sind die vielen kleinen Solarzellen in einem Solarmodul die zentralen Teile, um Energie zu erzeugen. In einem durchschnittlichen Solarmodul befinden sich rund 60 Solarzellen. Die Anzahl der Zellen wird von der Größe des Moduls bestimmt, wodurch es möglich ist, dass sich auch mehr oder weniger Solarzellen in einem Modul befinden können.
Die Besonderheit der Solarzelle ist die in ihr bestehende photoelektrische Aktivität. Durch diese Aktivität wird die Energie des Sonnenlichts in der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt. Dadurch ist der Prozess der Stromerzeugung abfall- und emissionsfrei.
Ablauf der Stromerzeugung in der Solarzelle
In den Sonnenstrahlen befinden sich mikroskopisch kleine Photonen, die Energieträger, die auf die Solarmodule und somit auf die Solarzellen treffen. Der in der Solarzelle befindliche Halbleiter reagiert auf das Sonnenlicht und die Elektronen werden losgelöst. Dort, wo sich die Elektronen loslösen, entstehen Löcher, die positiv geladen sind. Die Elektronen bewegen sich je nach positiver oder negativer Ladung zur positiven oder negativen Elektrode.
Die Löcher bewegen sich zur Unterseite des Siliziums und die Elektronen zur Oberseite. So gelangen die Ladungen nach oben und fließen durch die leitende Schicht, wodurch sie zu den Verbrauchern gelangen. Angelangt bei einem Verbraucher ist der Stromkreis geschlossen und die Elektronen fließen zurück zu der Stelle, wo Elektronen fehlen.
Um die erzeugte Energie nutzen zu können, müssen an den Solarzellen Kontakte angebracht werden, die mit einem Kabel eine Verbindung zu den weiteren Solarzellen bieten. Um die Solarzellen miteinander zu verbinden und einen Stromkreis zu bilden, wird an der Unterseite eine Kontaktschicht aufgebracht. Auf der Oberseite hingegen befindet sich ein dünnes Gitter, wodurch das Sonnenlicht eintreten kann.
Woraus besteht die Solarzelle?
Die Funktionsweise wurde bereits kurz angesprochen, doch woraus besteht eine Solarzelle, um den Umwandlungsprozess durchführen zu können? In der Regel bestehen Solarzellen aus Halbleitermaterialien. Diese Materialien befinden sich zwischen Indikatoren und elektrischen Leitern. Die Eigenschaften der Isolatoren und Leiter können mittels chemischer Elemente beeinflusst bzw. gesteuert werden.
Bei den meisten Solarzellen, die heute verwendet werden, wird als Halbleitermaterial Silizium eingesetzt. Außer Silizium kommen jedoch mittlerweile auch andere Legierungen aus Indium, Selen, Gallium oder Kupfer sowie Cadmium-Tellurid zum Einsatz.
Der Solarzelle Aufbau
Eine Solarzelle mit Silizium besteht in der Regel aus drei Schichten.
Zwei unterschiedliche Siliziumschichten bilden hier den Hauptbestandteil:
die n-dotierte Schicht:
- diese Schicht enthält einen geringen Anteil an Phosphor, der diese Schicht negativ macht
die p-dotierte Schicht:
- diese Schicht enthält einen geringen Anteil an Bor und macht dadurch die Schicht positiv
Zwischen diesen beiden Schichten ist eine Grenzschicht angebracht, wodurch freigesetzte Ladungen durch das Sonnenlicht angetrieben werden. Dadurch entsteht in dieser Zelle der p-n-übergang. Das bedeutet, dass die Bewegungen der Elektronen zu einem elektrischen Feld werden.
Wie wird die Sonnenenergie genutzt?
Die Sonne ist im Prinzip wie ein Kernreaktor, in deren innerem Wasserstoff verschmilzt und Helium entsteht. Durch diesen Prozess entsteht Strahlung, die in elektromagnetischen Wellen auch in Richtung Erde zieht. Diese von der Sonne erzeugte Energie wird Solarenergie genannt.
Die Sonnenenergie kann durch zwei Arten von Solaranlagen genutzt werden:
- Die Solarthermie. Bei dieser Variante wird durch die Sonneneinstrahlung Wasser erwärmt, das beim Heizen und Warmwasseraufbereiten genutzt werden kann.
- Die Photovoltaik. In dieser Variante wird die Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt und dadurch entsteht Strom, der genutzt werden kann.
‼️Die Sonne stellt jährlich rund 15.000-mal mehr Sonnenenergie zur Verfügung, als die gesamte Erdbevölkerung benötigt. Diese Tatsache zeigt, dass die Solarenergie eine äußerst wichtige Bedeutung für die Energieversorgung darstellt. Hier ist besonders die Photovoltaikanlage nennenswert, da sie aus der Sonnenenergie Strom umwandelt. Aus diesem Grund ist der wichtigste Bestandteil einer Photovoltaikanlage die Solarzelle.
Wie wird mit den Solarmodulen Strom erzeugt?
Die Solarmodule, in denen sich die Solarzellen befinden, wandeln Sonnenenergie in Gleichstrom um. Gleichstrom veranlasst die Elektronen innerhalb eines Stromkreises in eine Richtung zu fließen. Ein Beispiel hierfür ist eine Batterie, die eine Taschenlampe mit Strom versorgt. In dieser Batterie fließen die Elektronen von der Minus-Seite der Batterie durch die in der Taschenlampe befindliche Glühbirne und wieder zurück an die positive Seite der Batterie.
Bei Wechselstrom hingegen kommt es dazu, dass Elektronen hin und her bewegt werden. In dieser hin- und her Bewegung wird die Richtung der Elektronen periodisch umgekehrt. Dieser Vorgang kann mit einem Zylinder in einem Auto verglichen werden. Im Auto erzeugt ein Generator den Wechselstrom, wenn neben einem Magneten eine Drahtrolle gedreht wird. Beim Auto können unterschiedliche Energiequellen den Generator bewegen. Zum Beispiel Kraftstoff, Kernenergie, Wasserkraft, Wind, Kohle oder Sonnenenergie.
Der in den deutschen Stromnetzen genutzte Strom, der landesweit verteilt wird, ist der Wechselstrom. Da jedoch Solarmodule und deren Solarzellen Gleichstrom erzeugen, muss der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt ein Wechselrichter.
Der Wechselrichter und die Solarmodule
Der Wechselrichter bei der Solaranlage wandelt den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom um. Dadurch wird der Wechselrichter auch gerne als Herzstück der PV-Anlage bezeichnet. Gleichzeitig sorgt der Wechselrichter für eine Erdung und erstellt Statistiken über das gesamte Solarsystem. Zu diesen Statistiken zählen die Stromstärke sowie die Spannung, die die Solaranlage bietet. Außerdem stellt er in vielen Fällen das Power Point Tracking bereit.
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Die Entwicklung der Wechselrichter
Seit Beginn der Solaranlagen werden in den Systemen Zentralwechselrichter eingesetzt, um den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Durch die Entwicklung und Einführung der Mikrowechselrichter wurde die Technologie der Photovoltaik revolutioniert.
Mikrowechselrichter sind nicht für die gesamte PV-Anlage zuständig, sondern ein Zentralwechselrichter, sondern nur für jedes einzelne PV Modul. Dadurch kann jedes Modul seine volle und maximale Leistung erbringen. So kann zum Beispiel beim Einsatz eines Zentralwechselrichters bei einer Verschmutzung oder Verschattung eines Moduls ein Problem entstehen und die Leistung der gesamten Anlage wird herabgesetzt.
Kommt hingegen der Mikro-Wechselrichter zum Einsatz bei jedem Modul, so wird nur die Leistung der betroffenen Module herabgesetzt und nicht die gesamte Anlage beeinträchtigt.
Welche Arten der Solarzellen gibt es?
Die Solarzelle ist einer der wichtigsten Bestandteile der PV-Anlage und bestimmt auch zum größten Teil deren Kosten. Zudem sind sie auch maßgeblich für die Leistung der Solarmodule. Im Handel werden drei unterschiedliche Varianten angeboten.
Die folgenden Solarzellen und ihre Eigenschaften sind erhältlich:
- Die monokristalline Solarzelle. Sie besteht aus kristallinem Silizium und der Wirkungsgrad Solarzelle liegt bei rund 20 Prozent. Aufgrund des äußerst aufwendigen Herstellungsprozesses sind diese Solarzellen als relativ teuer zu bezeichnen.
- Die polykristallinen Solarzellen. Diese Solarzelle enthält wie auch die monokristalline Solarzelle Silizium jedoch in nicht so reiner Qualität. Der Wirkungsgrad Solarzelle weist nur rund 15 Prozent auf und die Herstellung ist günstiger als die der monokristallinen Solarzellen. Das Preis-Leistungs-Verhältnis ist als äußerst gut zu bezeichnen.
- Die Dünnschichtsolarzellen. Diese Variante wird zu den nicht-kristallinen Solarzellen gezählt. Zwar wird zur Herstellung ebenfalls Silizium verwendet, dieses wird jedoch nur in geringer Menge mit anderen Materialien vermischt. Dieses Metallgemisch wird zum Beispiel auf Glas aufgedampft und der Wirkungsgrad Solarzelle beträgt nur circa fünf bis maximal sieben Prozent. Der Vorteil der Dünnschichtsolarzellen ist ihre Flexibilität und der unkomplizierte Herstellungsprozess.
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