Solar-Wissen: Solarzelle

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Aufbau & Umwandlung von Licht in Strom

Eine Solarzelle, auch Photovoltaikzelle genannt, ist das grundlegende Bauelement von Solarmodulen und Solarsystemen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Wir erklären ihren grundlegenden Aufbau und wie sie funktioniert.

Aufbau einer Solarzelle

Eine Solarzelle besteht aus mehreren Schichten von Halbleitermaterialien und anderen Komponenten. Der Aufbau macht es möglich, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln, indem die Solarzellen Photonen absorbieren, Elektronen-Loch-Paare erzeugen, die geladenen Teilchen trennen und den erzeugten Strom abführen. Der grundlegende Aufbau einer Solarzelle gestaltet sich so:

Frontschicht (Antireflexionsschicht): Die Vorderseite der Solarzelle ist mit einer dünnen Schicht bedeckt, die als Antireflexionsschicht dient. Diese Schicht reduziert Reflexionen von der Oberfläche und ermöglicht eine bessere Lichtabsorption.

Emitierschicht: Direkt unter der Antireflexionsschicht befindet sich die Emitierschicht. Diese Schicht ist oft mit Phosphor oder anderen Materialien dotiert, um Elektronen-Loch-Paare zu erzeugen, wenn Sonnenlicht auftrifft.

Hauptabsorptionsschicht: Die Hauptabsorptionsschicht ist der entscheidende Teil der Solarzelle, in dem die eigentliche Lichtabsorption und die Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren stattfinden. Typischerweise besteht diese Schicht aus Silizium, das das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial in Solarzellen ist.

P-N-Übergang (P-N-Junction): In der Hauptabsorptionsschicht befindet sich eine P-N-Übergangsregion. Dies ist eine Grenzfläche zwischen positiv (P-Typ) und negativ (N-Typ) dotierten Bereichen des Siliziums. Diese Übergangsregion ist entscheidend für die Trennung von Elektronen und Löchern, was zur Stromerzeugung führt.

Rückseitige Emitter-Schicht: Auf der Rückseite der Solarzelle befindet sich eine weitere Schicht, die als rückseitige Emitter-Schicht bezeichnet wird. Diese Schicht hilft dabei, die erzeugten Elektronen zu sammeln und den Stromfluss zu erleichtern.

Metallkontakte: An den Oberflächen der Solarzelle sind Metallkontakte angebracht, um den erzeugten Strom abzuleiten. Ein Metallkontakt ist auf der Vorderseite und einer auf der Rückseite der Zelle platziert.

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So wandelt die Solarzelle Licht in Strom um

Diese Umwandlung von Licht in elektrischen Strom erfolgt in einer Solarzelle – grob umrissen – wie folgt:

  • Lichtabsorption: Wenn Sonnenlicht auf die Oberfläche einer Solarzelle trifft, wird ein Teil davon durch das Halbleitermaterial der Zelle absorbiert. Dieses Material besteht in der Regel aus Silizium.
  • Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren: Das absorbierte Licht liefert Energie, die Elektronen im Halbleitermaterial anregt. Dies führt dazu, dass Elektronen aus ihrer normalen Position im Atomgitter des Materials herausgelöst werden. Es entstehen sogenannte Elektronen-Loch-Paare.
  • Bewegung der Elektronen: Die gelösten Elektronen bewegen sich durch das Halbleitermaterial, um die entstandene Ladung zu tragen. Dieser Fluss von Elektronen erzeugt elektrischen Strom.
  • Erzeugung von Gleichstrom: Wenn die Elektronen durch das Material fließen, werden sie in eine Richtung gedrängt, was einen Gleichstrom erzeugt. Dieser Strom kann nun genutzt werden, um elektrische Geräte zu betreiben oder in Batterien gespeichert zu werden.
  • Anschluss an elektrische Schaltungen: Die Solarzellen in einem Solarmodul sind so miteinander verbunden, dass der erzeugte Strom in einer nutzbaren Form zur Verfügung steht. Dies ermöglicht die effiziente Nutzung der Sonnenenergie.

Solarzellen werden in großen Mengen in Solarmodulen zusammengefasst, um ausreichend Energie für den praktischen Gebrauch zu erzeugen. Die Effizienz der Solarzellen und die Qualität des Halbleitermaterials sind entscheidend für die Leistung eines Solarmoduls.

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