Solar Energie für Dummies – 3. Teil

Wer die Blogeinträge „Solar Energie für Dummies Teil 1“ und Teil 2 gelesen hat und sie für gut befand, findet hier die Fortsetzung. Heute erkläre ich (ein weiteres Mal als blutige Anfängerin dieses Gebietes) Photovoltaikanlagen. Am besten wiederholen wir noch einmal, was wir im letzten Blog gelernt haben:

Ein Solarmodul besteht aus mehreren Solarzellen, die das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie umwandeln. Es gibt starre und flexible Module und on-grid und off-grid Photovoltaikanlagen. Bei den Solarzellen kommt es auch auf den Kristallaufbau an: Das Brick Solarmodul besteht aus monokristallinen Zellen, außerdem gibt es auch polykristalline und amorphe Zellen. Der Wirkungsgrad von Solarmodulen nimmt im Laufe der Zeit ab, dies liegt an der Degradation oder zum Beispiel  durch Verschmutzung der Gläser. Aber selbst wenn es irgendwann nicht mehr funktioniert, ist es bis zu 95% recyclebar.

Nun aber auf zu neuen Erkenntnissen: Wir begeben uns in eine Solarzelle. Solarzellen sind elektronische Bauelemente, mit denen Sonnenenergie direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Das haben wir ja schon verstanden. Aus was genau bestehen aber eigentlich Solarzellen? Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium. Silizium ist ein Halbleitermaterial, welches aus ganz normalem Sand gewonnen werden kann. Ein Halbleiter ist im Gegensatz zu einem Isolator ein Material, welches unter normalen Umgebungsbedingungen (Raumtemperatur) einige freie Elektronen besitzt. Deshalb kann in einem Halbleiter immer noch ein kleiner Strom fl­ießen, was in einem Isolator nicht möglich ist. Daher kommt auch der Name – HALBLeiter. Der Strom ist aber wesentlich kleiner, als in einem elektrischen Leiter (zum Beispiel Draht). Kurz gesagt: 1. Ein elektrischer Leiter leitet Strom (z.B. Draht, Wasser, Kohle, Salzlösungen, Silber, Gold), ein Halbleiter leitet bedingt Strom (z.B. Silizium) und ein Isolator leitet keinen Strom(z.B. Gummi, Glas, Keramik, Bernstein, Öl).

Mit einigen technischen Tricks ist es Ingenieuren möglich, die Leitfähigkeit von Halbleitern ganz gezielt zu erhöhen. Es werden einfach chemische Elemente in das Siliziumkristall eingebaut, die dazu führen, dass entweder mehr freie Elektronen vorhanden sind: Dieser Elektronenüberschuss wird auch als n-leitend (negativ leitend) bezeichnet. Oder es werden chemische Elemente eingeführt, die im Silizium einen Elektronenmangel erzeugen: Dieser Elektronenmangel führt dazu, dass einfach einige Plätze im Siliziumkristall nicht besetzt sind. Es wird dann auch von Löchern gesprochen. Diese Löcher sind, ebenso wie die Elektronen, frei beweglich. Dieser Löcherüberschuss wird auch als p-leitend (positiv leitend) bezeichnet.

Bei der Produktion von Solarzellen wird im Siliziumkristall jetzt über einer Schicht mit Elektronenmangel eine Schicht mit Elektronenüberschuss erzeugt. Das führt dazu, dass sich in einer schmalen Übergangsschicht die freien Elektronen in den Löchern festsetzen (plus und minus zieht sich an, wie bei Magneten). Es entsteht eine dünne Schicht, genannt Raumladungszone, welche weder freie Elektronen noch freie Löcher aufweist – quasi eine Isolatorschicht. Legen wir jetzt an der n-Schicht und an der p-Schicht einen Kontakt an und verbinden diesen, passiert nichts, da diese voneinander isoliert sind. Denn wie wir gelernt haben, leitet ein Isolator keinen Strom.

Und jetzt kommt die Sonne ins Spiel! Sonnenstrahlen, wie wir sie sehen, bestehen aus Teilchen, so genannten Photonen. Diese Erkenntnis haben wir übrigens dem berühmten Albert Einstein zu verdanken. Die Sonnenstrahlen treffen nun auf die Ober­fläche der Solarzellen und dringen durch die dünne n-Schicht so weit vor, dass sie die Übergangsschicht erreichen und können dort die in den Löchern gebundenen Elektronen herausschlagen. Das ist wie beim Murmeln, wenn ihr eine Murmel mit eurer eigenen Murmel aus dem Weg schießt. Diese jetzt frei gewordenen Elektronen ­fließen über die anliegenden Elektroden zurück zu den frei gewordenen Löchern, was zu einem Strom­fluss außerhalb der Solarzelle führt. Dieser Strom ist dann der von uns so gewünschte Solarstrom. Mit dem Solarstrom können dann Motoren angetrieben werden, Lampen zum Leuchten gebracht, aber auch Akkumulatoren aufgeladen werden.

Ganz schön kompliziert! Jetzt verstehen wir sogar schon, was im Inneren von Solarzellen eigentlich genau passiert.