Was ist eine Solarzelle? Wie funktionieren Solarzellen?

Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle ist eine Vorrichtung, die dazu entwickelt wurde, Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln. Vielleicht haben Sie kleine Solarzellen schon auf Taschenrechnern oder Mobiltelefonen gesehen. Größere Solarzellenfelder werden genutzt, um Verkehrsanlagen anzutreiben, und noch größere Felder werden verwendet, um Satelliten, die sich in der Umlaufbahn der Erde befinden, zu versorgen. Solarzellen werden auch als photovoltaische Zellen oder PV-Zellen bezeichnet.

Wie funktionieren Solarzellen?

Solarzellen oder photovoltaische Zellen bestehen aus einer Schicht halbleitenden Materials, wie z.B. Silizium, sowie geringen Spuren weiterer Elemente in der zweiten oder dritten Schicht. Eine Schicht ist mit Atomen der Gruppe 5 angereichert, wie Phosphor, und die andere mit Atomen der Gruppe 3, wie z.B. Bor. Licht tritt in die Zelle ein und versorgt die Elektronen mit genügend Energie, damit diese aus dem Halbleiter austreten und durch eine elektrische Schaltung fließen können. Dieser Elektronenfluss wird auch als Elektrizität bezeichnet.

Effizienz von Solarzellen

Die “Effizienz” einer Solarzelle ergibt sich aus dem Verhältnis der Energie, die die Zelle (als Elektrizität) verlässt, und der Energie, die (als Sonnenlicht) in die Zelle gelangt. Die leistungsfähigsten Zellen der Welt weisen heute Wirkungsgrade von ca. 40% auf. Diese Zellen sind in der Herstellung unglaublich teuer und werden daher nur dann eingesetzt, wenn zwar das Geld keine Rolle spielt, der verfügbare Platz hingegen schon, wie zum Beispiel in der Raumfahrt und in einigen Konzentrator-Systemen.

Die meisten kommerziell erhältlichen Zellen weisen Wirkungsgrade von etwa 15% auf. Die effizientesten, kommerziell erhältlichen Zellen erreichen sogar 23%.

Arten von Solarzellen

Es sind verschiedene Arten von Solarprodukten erhältlich. Mit ein oder zwei kleineren Ausnahmen, basieren alle auf dem oben beschriebenen p-n-Übergangshalbleiterkonzept. Die Hauptunterschiede liegen in der Art des verwendeten Halbleiters, der Einbauweise und des Vorgangs, wie die Zellen zu Modulen oder Platten zusammengesetzt werden.

Arten-von-Solarzellen

Kristallines Silizium-PV-Zellen

Es gibt zwei Hauptarten kristallinen Siliziums, das in der Solarzellenherstellung verwendet wird. Dabei handelt es sich um monokristalline (Mono-Si) und multikristalline (Multi-Si) Zellen, die manchmal auch als polykristallines Silizium bezeichnet werden. Beide Typen verwenden einen Siliziumwafer mit dotierten p-Typ- und n-Typ-Bereichen. Der Unterschied liegt im eingesetzten Siliziummaterial. Die meisten erhältlichen Solarmodule, etwa 90%, basieren auf kristallinem Silizium.

Vergleich zwischen monokristallinen Solarzellen und polykristallinen Solarzellen

Monokristallines Silizium wird mit Hilfe des Czochalski-Verfahrens hergestellt, das hochwertige, hochreine Kristallsilikonbarren hervorbringt. Der monokristalline Barren wird in dünne Siliziumscheiben geschnitten, die zu Platten/Panels angeordnet werden. Während der monokristalline Siliziumwafer in Form gebracht wird, geht eine beträchtliche Menge des Materials verloren, was es zu einem sehr teuren Verfahren macht.

Das zur Herstellung von polykristallinen Siliziumwafern verwendete Verfahren ist viel einfacher und kosteneffektiver. Das Siliziummaterial wird eingeschmolzen, geformt und dann in den Wafern für die Platten zurechtgeschnitten.

Monokristalline Silizium-Solarzellen sind effizient und neigen dazu, bei wärmerem Wetter besser zu funktionieren, als ihre polykristallinen Gegenstücke. Sie bieten auch, unter gleichen Bedingungen, eine höhere Wattleistung als polykristalline Silizium-Solarzellen .

Solarzellen aus polykristallinem Silizium funktionieren bei wärmerem Wetter nicht so gut, jedoch sind hier die Gesamtkosten der Zellen geringer, wodurch der anfängliche Investitionsaufwand für den Verbraucher kleiner ausfällt, als bei monokristallinen Zellen.

Amorphe Dünnschicht-Silizium-PV-Zellen

Wie beim kristallinen Silizium, handelt es sich auch beim amorphen Silizium (a-Si) um eine weitere Technologie, die seit mehreren Jahrzehnten in der kommerziellen Produktion eingesetzt wird. Hierbei wird nur eine sehr dünne Siliziumschicht niedriger Qualität verwendet. Das macht das Verfahren zu einer kostengünstigerenTechnologie (pro Flächeneinheit) mit geringerer Effizienz, als beide Arten kristallinen Siliziums. Die Kosten pro EinheitErzeugungskapazität, werden allgemein in Euro pro Watt (€ / W) angegeben, und sind grundsätzlich kristallinem Silizium ähnlich. Jedoch werden aufgrund seiner geringeren Effizienz viel größere Flächen benötigt – etwa doppelt so viel, als das bei kristallinem Silizium erforderlich ist. Dies führt zu höheren Installationskosten, da zusätzliche Geräte benötigt werden und die Installationszeiten länger sind. Der Hauptvorteilamorphen Siliziums gegenüber kristallinen Technologien, liegt in der thermischen Leistung. Es ist daher die beste Wahl für den Einsatz in vielen gebäudeintegrierten Installationen, bei denen die PV-Module einen integralen Bestandteil des Gebäudes bilden und traditionelle Baumaterialien ersetzen.

Andere Dünnschichttechnologien

Es gibt eine Reihe weiterer “Dünnschicht” -Technologien, die eine dünne Schicht eines Halbleitermaterials anstelle der herkömmlichen Siliziumwafer verwenden. All diese Technologien zielen darauf ab, die Modulkosten durch den Einsatz von weniger Material zu reduzieren. Einige davon verfügen auch über relativ hohe Wirkungsgrade, im Vergleich zu amorphem Silizium. Jedoch besitzt jede dieser Technologien ihre eigenen Nachteile, die bisher eine großflächige Nutzung, insbesondere in Australien, verhindert haben. Dazu gehörter Einsatz des giftigen Metalls Cadmium und extrem seltener und damit teurer Elemente wie Indium.

Solarzellen-Hersteller in Deutschland

Solarzellen-Hersteller-in-Deutschland

Vorteile

  • Photovoltaikzellen bieten viele Vorteile. Vor allem erzeugen sie erneuerbare Energie, da die Sonne Energie im Überfluss liefert. Sie liefern auch saubere Energie, da keine Treibhausgasemissionen entstehen und die Umwelt nicht belastet wird.
  • Sie sind leise und tragen somit nicht zur Lärmbelästigung bei.
  • Photovoltaikzellen sind wartungsarm und benötigen daher nach der Installation nur wenig Aufmerksamkeit.

Nachteile

  • Die Investition in photovoltaische Zellen ist, auf Grund der hohen Herstellungs- und Installationskosten, teuer.
  • Sie benötigen auch weitere Geräte wie Wechselrichter zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom.
  • Darüber hinaus beinhalten sie oft hohe Versicherungskosten aufgrund ihrer zerbrechlichen Natur.
  • Der Produktionsprozess von Photovoltaik-Zellen nutzt giftige Chemikalien wie Cadmium und Arsen, die für die Umwelt schädlich sind.
  • Energie aus photovoltaischen Zellen ist zu abhängig vom Wetter, das unkontrollierbar und unzuverlässig ist.

Sicherheit von Solarzellen

Solarzellen gelten im Allgemeinen als sichere und effektive Stromerzeuger. Sie enthalten jedoch einige giftige Chemikalien und sollten daher nicht über den normalen Müll entsorgt werden.

Die Zukunft von Solarzellen

Die Solarzellen haben sich bis ins 21. Jahrhundert stetig weiterentwickelt. Eine neuere Erfindung sind ultradünne Zellen, die in Schichten auf Kunststofffolie aufgetragen werden können. Einige Ingenieure schlagen vor, diese auf Schirme, Zelte und Kleidung zu platzieren, um eine tragbare Stromquelle erzeugen.

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