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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 k├Ânnen, 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 „L├Âcher“, also Stellen, an denen ein Elektron fehlt. Die n-dotierte Schicht wird durch Zugabe eines Elements mit f├╝nf Valenzelektronen, wie zum Beispiel Phosphor, hergestellt. Dies f├╝hrt zu einem ├ťberschuss an Elektronen.

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

Funktionsweise einer Solarzelle

Wenn Licht, bestehend aus Photonen, auf die Solarzelle trifft, kann es Elektronen aus den Siliziumatomen herausl├Âsen. Dies ist der photoelektrische Effekt. Die frei werdenden Elektronen k├Ânnen nun durch das elektrische Feld, das durch den p-n-├ťbergang erzeugt wird, zur n-dotierten Schicht bewegt werden, w├Ąhrend die L├Âcher zur p-dotierten Schicht wandern.

Wenn man nun einen ├Ąu├čeren elektrischen Kreislauf an die beiden Seiten der Zelle anschlie├čt, kann ein Strom flie├čen. Die Elektronen bewegen sich durch den ├Ąu├čeren Kreislauf (z.B. einen angeschlossenen Verbraucher) zur├╝ck zur p-Schicht, um die dortigen „L├Âcher“ zu f├╝llen.

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 f├╝r handels├╝bliche Solarzellen liegen allerdings eher bei etwa 15-20%.

Es gibt verschiedene Faktoren, die die Leistung einer Solarzelle beeinflussen k├Ânnen, wie die Intensit├Ąt und das Spektrum des Lichts, die Temperatur der Zelle und die Qualit├Ąt des Halbleitermaterials. Es wurden jedoch auch verschiedene Techniken entwickelt, um die Effizienz von Solarzellen zu erh├Âhen, wie zum Beispiel Mehrfachschichtzellen, Konzentrator-Photovoltaikzellen und Tandem-Solarzellen.

Typen von Solarzellen

Es gibt verschiedene Typen von Solarzellen, die sich haupts├Ąchlich in den verwendeten Materialien unterscheiden:

  • Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzigen Kristallstruktur und haben die h├Âchste Effizienz und Kosten.
  • Polykristalline Solarzellen bestehen aus mehreren Kristallen, sind etwas weniger effizient und kosteng├╝nstiger.
  • D├╝nnschicht-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 w├Ąhrend des Betriebs keine Emissionen produzieren. Es gibt jedoch auch Umweltauswirkungen bei der Herstellung von Solarzellen, einschlie├člich des Energieverbrauchs und der Verwendung von potenziell sch├Ądlichen Materialien. Es werden jedoch kontinuierlich Fortschritte gemacht, um die Umweltauswirkungen der Solarzellenherstellung zu minimieren und die Recyclingm├Âglichkeiten zu verbessern.