Solarzelle

Eine Solarzelle, oft auch als Photovoltaikzelle bezeichnet, ist ein elektrischer Baustein, der Lichtenergie, insbesondere Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie umwandeln kann. Der Grundprozess, auf dem dies basiert, wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet.

Um eine Solarzelle zu verstehen, beginnen wir mit ihrer grundlegenden Struktur und Zusammensetzung:

Struktur einer Solarzelle

Eine typische Solarzelle besteht aus einem Halbleitermaterial, das meistens aus Silizium besteht. Silizium wird verwendet, weil es vier Valenzelektronen hat, die Bindungen zu anderen Siliziumatomen eingehen können, um ein stabiles Gitter zu bilden.

Die Solarzelle besteht aus zwei Schichten von Silizium – einer p-dotierten und einer n-dotierten Schicht. Die p-dotierte Schicht wird durch Zugabe eines Elements wie Bor, das nur drei Valenzelektronen besitzt, hergestellt. Dadurch entstehen sogenannte „Löcher“, also Stellen, an denen ein Elektron fehlt. Die n-dotierte Schicht wird durch Zugabe eines Elements mit fünf Valenzelektronen, wie zum Beispiel Phosphor, hergestellt. Dies führt zu einem Überschuss an Elektronen.

Die beiden Schichten werden zusammengebracht, um eine p-n-Übergang zu bilden. Der Übergang ist wichtig, da er ein elektrisches Feld erzeugt, welches für die Funktion der Solarzelle entscheidend ist.

Funktionsweise einer Solarzelle

Wenn Licht, bestehend aus Photonen, auf die Solarzelle trifft, kann es Elektronen aus den Siliziumatomen herauslösen. Dies ist der photoelektrische Effekt. Die frei werdenden Elektronen können nun durch das elektrische Feld, das durch den p-n-Übergang erzeugt wird, zur n-dotierten Schicht bewegt werden, während die Löcher zur p-dotierten Schicht wandern.

Wenn man nun einen äußeren elektrischen Kreislauf an die beiden Seiten der Zelle anschließt, kann ein Strom fließen. Die Elektronen bewegen sich durch den äußeren Kreislauf (z.B. einen angeschlossenen Verbraucher) zurück zur p-Schicht, um die dortigen „Löcher“ zu füllen.

Effizienz und Leistung

Die Effizienz einer Solarzelle bezieht sich darauf, wie viel der eingehenden Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die maximale theoretische Effizienz einer einzelnen Schicht Solarzelle liegt bei etwa 33%, bekannt als die Shockley-Queisser-Grenze. Praktische Werte für handelsübliche Solarzellen liegen allerdings eher bei etwa 15-20%.

Es gibt verschiedene Faktoren, die die Leistung einer Solarzelle beeinflussen können, wie die Intensität und das Spektrum des Lichts, die Temperatur der Zelle und die Qualität des Halbleitermaterials. Es wurden jedoch auch verschiedene Techniken entwickelt, um die Effizienz von Solarzellen zu erhöhen, wie zum Beispiel Mehrfachschichtzellen, Konzentrator-Photovoltaikzellen und Tandem-Solarzellen.

Typen von Solarzellen

Es gibt verschiedene Typen von Solarzellen, die sich hauptsächlich in den verwendeten Materialien unterscheiden:

• Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzigen Kristallstruktur und haben die höchste Effizienz und Kosten.
• Polykristalline Solarzellen bestehen aus mehreren Kristallen, sind etwas weniger effizient und kostengünstiger.
• Dünnschicht-Solarzellen verwenden Materialien wie amorphes Silizium, Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid und sind weniger effizient, aber auch weniger teuer und flexibler.

Umweltauswirkungen und Nachhaltigkeit

Solarzellen sind eine nachhaltige und umweltfreundliche Form der Energieerzeugung, da sie während des Betriebs keine Emissionen produzieren. Es gibt jedoch auch Umweltauswirkungen bei der Herstellung von Solarzellen, einschließlich des Energieverbrauchs und der Verwendung von potenziell schädlichen Materialien. Es werden jedoch kontinuierlich Fortschritte gemacht, um die Umweltauswirkungen der Solarzellenherstellung zu minimieren und die Recyclingmöglichkeiten zu verbessern.