Photovoltaik-Zellen – Aufbau und Funktionsprinzip • Alltagsökologie – wie man ECO wird | Eko360.pl (2023)

Lesen Sie, wie Photovoltaikzellen das Licht der Sonne in Strom umwandeln, wie sie hergestellt werden und welche verschiedenen Typen es gibt.

Eins der wichtigstenKomponenten jeder Photovoltaikanlagesind Sonnenkollektoren. Dabei handelt es sich um weithin sichtbare dunkle Scheiben, die beispielsweise auf Hausdächern angebracht sind. Sie bestehen aus Modulen, die wiederum aus noch kleineren Einheiten bestehen, die als Photovoltaik, Solarzellen, Photovoltaik oder Photovoltaik bezeichnet werden. Diese Zellen gibt es in mehreren Varianten, die sich hinsichtlich der Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom unterscheiden.Erfahren Sie mehr darüber, um zu verstehen, was Photovoltaik eigentlich ist, und um den für Sie besten Zelltyp auszuwählen.

Im folgenden Text schreiben wir unter anderem:

• Woraus bestehen Solarzellen?
• Was ist der Photovoltaik-Effekt – also wie wird Sonnenlicht in Strom umgewandelt?
• wie Fotozellen aufgebaut sind – und welche Leistung sie leisten,
• Was sind die Eigenschaften von PERC-Zellen?
• Was ist der Unterschied zwischen monokristallinen und polykristallinen Solarzellen?
• Was ist der Czochralski-Prozess?
• welche Arten von Photovoltaikzellen am effizientesten und welche am teuersten sind,
• Was sind Fotozellen der 1., 2. und 3. Generation?

Wie Sie sich vielleicht aus Ihrem Physikunterricht erinnern, ist ein elektrischer Strom eine geordnete Bewegung elektrischer Ladungen, ob positiv oder negativ. Eine solche negative Ladung, die sich beispielsweise in Metallen, aus denen elektrische Leitungen bestehen, besonders leicht bewegen kann, kann ein Elektron sein, also ein Teil eines Atoms, dank dessen es sich mit anderen Atomen verbindet. Sobald es aus der interatomaren Bindung herausgedrückt wird, beginnt es, sich frei zu bewegen. Und dann muss man dieser Bewegung noch eine Richtung geben, also sie so ordnen, dass sie den Strom erhält.

Woraus bestehen Photovoltaikzellen?

Damit all dies in Photovoltaikzellen geschieht, müssen diese aus Halbleitern bestehen, also Materialien, die Strom nicht so gut leiten wie Leiter (z. B. die oben genannten Metalle), sondern ihn nur unter bestimmten Bedingungen leiten. Dies erleichtert die Steuerung der Leitfähigkeit.
Die am weitesten verbreiteten* Solarzellen auf dem Planeten bestehen aus Silizium.Warum? Erstens hat es eine kristalline Struktur, was es zu einem solchen Halbleiter macht. Zweitens ist es nach Sauerstoff das häufigste Element auf der Erde und daher nicht schwer zu gewinnen (z. B. besteht Sand daraus). Drittens verfügt jedes Siliziumatom über bis zu vier Elektronen, die in Bewegung gesetzt werden können.

*Im Weltraum werden eher Zellen aus Galliumarsenid (GaAs) eingesetzt. Sie zeichnen sich durch einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Strahlung aus, sind für kommerzielle Anwendungen aber auch zu teuer.

Was ist der Photovoltaik-Effekt?

Diese Bewegung der Elektronen erfolgt unter dem Einfluss des Sonnenlichts, das nach physikalischen Gesetzen sowohl eine Welle als auch ein Strom von Teilchen ist, die Photonen genannt werden.Wenn diese Welle die richtige Frequenz hat, können auf die Zelle treffende Photonen Elektronen aus den Bindungen zwischen Siliziumatomen herausschlagen. Die von den Elektronen hinterlassenen „Orte“, kurz Löcher genannt, sind positiv geladen – und können sich auch bewegen. Die spezifische Konstruktion von Photovoltaikzellen ermöglicht die geordnete Bewegung von Löchern und Elektronen.

Grundsätzlich gibt es in der Zelle zwei Siliziumschichten, die sich durch Beimischungen anderer Elemente in ihren elektrischen Eigenschaften geringfügig unterscheiden. Die mit Phosphor, Arsen oder Antimon angereicherte oberste Schicht enthält zusätzliche Elektronen. Da sie eine negative Ladung haben, wird sie mit dem Buchstaben n bezeichnet, der vom englischen Wort „negative“ abgeleitet ist. Die untere Schicht, der Bor, Indium oder Aluminium zugesetzt wurde, weist mehr Löcher auf und wird mit dem Buchstaben p für „positiv“ bezeichnet, ebenso wie die Ladung dieser Löcher. Zwischen ihnen findet das oben beschriebene Klopfen von Elektronen durch Photonen statt, im sogenannten p-n-Übergangsbarriereschicht.

Vereinfacht gesagt kann man sagen, dass es „sich selbst anzieht“: Die freigesetzten Elektronen gelangen zur n-Typ-Schicht und die Löcher – zur p-Typ-Schicht. Schichten) mit geringer Potentialdifferenz, in dem die Bewegung der Ladungen eine Richtung hat, ist geordnet, sodass wir einen Strom erhalten.

Leistung einer einzelnen Photovoltaikzellehängt direkt von seinen Abmessungen ab (normalerweise von 4 x 4 Zoll, also ca. 10 x 10 cm, bis 6 x 6 Zoll, also ca. 15 x 15 cm) undbeträgt nur 1-7 W. Das ist nicht viel, daher werden die Zellen in Modulen und Panels in Reihe oder parallel geschaltet, um Parameter zu erhalten, die den Bedürfnissen des Eigentümers einer bestimmten Anlage entsprechen.

Wie Sie wissen, kann Strom nur in einem geschlossenen Stromkreis fließen. Die Elektronen kommen also zurückinwerteraDurch die positive Elektrode, bei der es sich um eine Aluminiumplatte handelt, die unter der p-Typ-Schicht platziert ist, gelangen sie zum Boden der Zelle (wo sie die Löcher „füllen“. Die negativen Elektroden auf der n-Typ-Schicht haben die Form eines Gitters bestehend aus dünne Streifen aus Aluminium- oder Silberfolie, durch die das Licht ungehindert zwischen ihnen hindurch in die Zelle gelangen kann.

Da dessen glatte Oberfläche bis zu 40 % der Sonnenstrahlen reflektieren kann, ist es mit einer dünnen Antireflexbeschichtung versehen. Das Ganze ist gesichert durch gegen Vibrationen, mechanische Beschädigungen, Feuchtigkeit oder Schmutz mit EVA-Folie (Ethylen-Vinyl-Acetat, d. h. ein Copolymer aus Ethylen und Vinylacetat).

Die Siliziumschicht vom n-Typ ist etwas dünner als die Schicht vom p-Typ, was den Bereich vergrößert, in dem Elektronen durch Photonen aus ihrer Position geschlagen werden. Allerdings ist die gesamte Siliziumplatte einer Photovoltaikzelle weniger als einen halben Millimeter dick! Und zwar genau 0,3 mm bei monokristallinen Zellen bzw. weniger als 0,2 mm bei polykristallinen Zellen.

Mono- und polykristalline Zellen

Auf den ersten Blick kann man sie anhand der Farbe voneinander unterscheiden: Diemonokristallin ist schwarz und polykristallin ist blau.Aber viel wichtiger sind andere Unterschiede zwischen ihnen, wie zum Beispiel der Preis. Monokristalline Zellen sind teurer, denn zu ihrer Herstellung müssen Ansammlungen von Siliziumkristallen bei einer Temperatur von über 1420 °C geschmolzen werden und in die entstandene Masse ein rotierender Siliziumstab eingeführt werden, um den sich dann ein gleichmäßiger Kristall bildet Laserschneiden in Wafer und Schleifen. Erwähnenswert ist, dass diese weltweit angewandte Methode zur Züchtung von Einkristallen 1916 vom polnischen Chemiker Jan Czochralski entwickelt wurde. Und daher der Name: Czochralski-Prozess.

Die Herstellung polykristalliner Zellen ist wesentlich einfacher. Die geschmolzenen Siliziumkristalle werden einfach in spezielle Formen gegeben und nach dem Abkühlen in Wafer geschnitten. Sie sind günstiger, haben aber eine weniger geordnete innere Struktur, die sogar mit bloßem Auge erkennbar ist: Das unregelmäßige Kristallgitter in ihnen ähnelt ein wenig Reif. Leider führt dies im Vergleich zu monokristallinen Zellen zu einer geringeren Effizienz und einer allgemein kürzeren Lebensdauer. Der Wirkungsgrad des letzteren erreicht bis zu 22 %, obwohl er am häufigsten zwischen 15 und 19 % schwankt. Bei polykristallinen Zellen sind es jedoch immer noch deutlich mehr als 14–18 %.

Der höhere Wirkungsgrad monokristalliner Zellen bedeutet, dass das daraus hergestellte Solarpanel eine kleinere Fläche einnehmen kann als ein Panel aus polykristallinen Zellen gleicher Leistung.Bis vor Kurzem wurde diese deutlich teurere Lösung vor allem von Menschen gewählt, die nur wenig Platz für eine Photovoltaikanlage hatten. Derzeit ersetzen jedoch monokristalline Zellen als fortschrittlichere Technologie nach und nach polykristalline Zellen.

Zellen der zweiten Generation

Interessanterweise gehören beide zu den Photovoltaikzellen der ersten Generation, auch Dickschichtzellen genannt. Denn obwohl sie weniger als die genannten 0,5 mm dick sind, sind die Zellen der zweiten Generation deutlich dünner. Sie bestehen auch aus anderen Materialien, etwa amorphem Silizium (a-Si), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Mischungen aus Kupfer, Indiumgallium und Selen (sog. CIGS).

Diese Materialien benötigen nicht viel, da die Halbleiterschicht in Zellen der Generation II nur 0,001 bis 0,08 mm dick ist. SolchDünnschichtzellen sind daher günstiger in der Herstellung und flexibler, weisen aber eine deutlich geringere Leistung auf. Bis vor Kurzem wurden sie hauptsächlich als Solarbatterien in Kleingeräten wie Uhren oder Taschenrechnern eingesetzt. Derzeit können sie jedoch auf Glas oder Metall aufgetragen werden, wodurch z.B. B. Photovoltaik-Fenster oder Dachziegel, und mit dem technologischen Fortschritt werden immer mehr neue Anwendungen realisiert.

Zellen der dritten Generation

Auch an Zellen der dritten Generation wird gearbeitet, bei denen der pn-Übergang überhaupt nicht vorhanden ist. Es werden Lösungen wie Solarstrahlenkonzentratoren (CPV), organische Photovoltaikzellen (OPV), Farbstoff- oder Polymerzellen entwickelt. Sie zeichnen sich immer noch durch einen recht geringen Wirkungsgrad und eine kurze Lebensdauer aus und werden daher derzeit nicht kommerziell genutzt. Niedrige Produktionskosten, Ungiftigkeit und eine Absorption des Sonnenlichts von bis zu 90 % sind jedoch ein starker Anreiz für eine weitere Verbesserung dieser innovativen Technologien.

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