Technologie von Solar-Photovoltaikzellen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen

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Solar-Photovoltaik-Systeme sind einfach zu handhaben und verfügen über keine beweglichen Mechanismen, aber die Photovoltaik-Zellen selbst enthalten komplexe Halbleiterbauelemente, ähnlich denen, die für die Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet werden. Grundlage der Funktionsweise von Fotozellen ist das physikalische Prinzip, bei dem unter Lichteinwirkung zwischen zwei miteinander in Kontakt stehenden Halbleitern mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften ein elektrischer Strom entsteht. Die Kombination solcher Elemente bildet ein Photovoltaik-Panel oder -Modul.

Photovoltaikmodule erzeugen aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften Gleichstrom statt Wechselstrom. Es wird in vielen einfachen batteriebetriebenen Geräten verwendet. Wechselstrom hingegen ändert in regelmäßigen Abständen seine Richtung. Diese Art von Strom wird von Energieerzeugern geliefert und für die meisten modernen Geräte und elektronischen Geräte verwendet. In den einfachsten Anlagen wird direkt Gleichstrom aus Photovoltaikmodulen genutzt. An der gleichen Stelle, an der Wechselstrom benötigt wird, muss dem System ein Wechselrichter hinzugefügt werden, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

Die moderne Produktion von Solarzellen basiert fast ausschließlich auf Silizium. Etwa 80 % aller Module werden aus poly- oder einkristallinem Silizium hergestellt, während die restlichen 20 % aus amorphem Silizium bestehen. Am häufigsten kommen kristalline Photovoltaikzellen vor, die meist einen blauen Farbton mit Schimmer aufweisen. Amorph oder nichtkristallin – glattes Aussehen und je nach Blickwinkel wechselnde Farbe. Monokristallines Silizium hat den besten Wirkungsgrad (ca. 14 %), ist jedoch teurer als polykristallines Silizium, das einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 11 % hat. Amorphes Silizium wird häufig in kleinen Geräten wie Uhren und Taschenrechnern verwendet, seine Effizienz und Langzeitstabilität sind jedoch viel geringer, sodass es in Energieanwendungen selten verwendet wird.

Die Fotozelle ist ein „Sandwich“ aus Silizium – der zweithäufigsten Substanz auf der Erde. 0,5 Prozent der modernen Solarzellen bestehen aus Silizium (Si), der Rest basiert auf dem gleichen Prinzip wie Siliziumsolarzellen. Auf eine Siliziumschicht wird eine bestimmte Substanz aufgetragen, wodurch ein Elektronenüberschuss entsteht. Dies führt zu einer negativ geladenen („N“) Schicht. Auf der anderen Schicht entsteht ein Elektronenmangel, sie wird positiv geladen („P“). Zusammen mit Leitern bilden diese beiden Oberflächen einen lichtempfindlichen Elektron-Loch-Übergang. Es wird als Halbleiter bezeichnet, weil es im Gegensatz zu einem elektrischen Draht Strom nur in eine Richtung leitet – von negativ nach positiv. Bei Sonneneinstrahlung oder einer anderen intensiven Lichtquelle entsteht ein Gleichstrom von ca. XNUMX Volt. Die Stromstärke (Ampere) ist proportional zur Lichtenergie (Anzahl der Photonen). In jeder Photovoltaikanlage ist die Spannung nahezu konstant und der Strom ist proportional zur Größe der Photovoltaikzellen und der Lichtintensität.

Photovoltaikzellen bestehen aus hochreinem Silizium, das in genauen Anteilen mit einigen anderen Substanzen vermischt wird. Das hochreine Siliziumsubstrat, aus dem Solarzellen hergestellt werden, ist sehr teuer. Die Menge an hochreinem Silizium, die zur Herstellung eines 50-W-Photovoltaikmoduls benötigt wird, würde für die integrierten Schaltkreise von etwa zweitausend Computern ausreichen. Darüber hinaus sind in Solarzellen Aluminium, Glas und Kunststoff enthalten – kostengünstige und wiederverwendbare Materialien.

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