Photovoltaik

Hallo Sonne!

Unter Photovoltaik bzw. Fotovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie, meist aus Sonnenlicht, in elektrische Energie mittels Solarzellen. Anwendungsgebiet ist heute die netzgebundene Stromerzeugung auf Dachflächen oder als Freiflächenanlage, um konventionelle Kraftwerke zu ersetzen.

Photovoltaik-Funktionsprinzip am Beispiel einer Silizium-Solarzelle.Silizium ist ein Halbleiter. Die Besonderheit von Halbleitern ist, dass durch zugeführte Energie (z. B. in Form von Licht bzw. elektromagnetischer Strahlung) in ihnen freie Ladungsträger erzeugt werden können.

  1. Die obere Siliziumschicht ist mit Elektronenspendern (z. B. Phosphoratomen) durchsetzt – negativ dotiert. Hier gibt es zu viele Elektronen (n-Schicht).
  2. Die untere Siliziumschicht ist mit Elektronen-Akzeptoren (z. B. Boratomen) durchsetzt – positiv dotiert. Hier gibt es zu wenige Elektronen, also zu viele Fehlstellen oder Löcher (p-Schicht).
  3. Im Grenzbereich der beiden Schichten binden sich die überschüssigen Elektronen der Elektronenspender locker an die Fehlstellen der Elektronen-Akzeptoren (sie besetzen die Fehlstellen im Valenzband) und bilden eine neutrale Zone (p-n-Übergang).
  4. Da nun oben Elektronen- und unten Fehlstellenmangel herrscht, bildet sich zwischen der oberen und unteren Kontaktfläche ein ständig vorhandenes elektrisches Feld.
  5. Photonen (Lichtquanten, „Sonnenstrahlen“) gelangen in die Übergangsschicht.
  6. Photonen mit ausreichender Energiemenge übertragen in der neutralen Zone ihre Energie an die locker gebundenen Elektronen im Valenzband der Elektronen-Akzeptoren. Das löst diese Elektronen aus ihrer Bindung und hebt sie ins Leitungsband. Viele dieser freien Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare) verschwinden nach kurzer Zeit durch Rekombination wieder. Einige Ladungsträger driften – bewegt vom elektrischen Feld – zu den Kontakten in die gleichartig dotierten Zonen (s. o.); d. h. die Elektronen werden von den Löchern getrennt, die Elektronen driften nach oben, die Löcher nach unten. Eine Spannung und ein nutzbarer Strom entstehen, solange weitere Photonen ständig freie Ladungsträger erzeugen.
  7. Der „Elektronen“-Strom fließt durch den „äußeren Stromkreis“ zur unteren Kontaktfläche der Zelle und rekombiniert dort mit den zurückgelassenen Löchern.
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