Photovoltaikanlagen werden mit Sonnenenergie angetrieben, welche in Strom umgewandelt wird. Verantwortlich dafür sind die einzelnen Solarzellen (zusammengefasst in Solarmodulen), deren Funktionsweise auf physikalischen Vorgängen beruht.
Solarzellen bestehen grundsätzlich aus Silizium. Silizium besitzt halbleitende Eigenschaften, die z.B. durch Licht angeregt werden. Halbleiter können durch andere chemische Elemente beeinflusst werden, was eine sog. “p- und n-Dotierung ermöglicht”. Solche Silizium-Zellen bestehen aus 3 Hauptschichten:
- Schicht mit n-dotiertem Silizium: In dieser Schicht befindet sich neben Silizium auch Phosphor. Siliziumatome besitzen immer 4 Elektronen, während Phosphor 5 Elektronen besitzt. Bei einer Verbindung bleibt dementsprechend immer 1 freies Elektron übrig. Durch den daraus resultierenden Elektronenüberschuss entsteht eine negative Ladung der Schicht.
- Schicht mit p-dotiertem Silizium: Die p-dotierte Schicht enthält Silizium und Bor. Bor-Atome besitzen 3 Elektronen, weshalb bei einer Verbindung mit Silizium ein Elektronenmangel entsteht, was eine positive Ladung der Schicht zur Folge hat.
- Grenzschicht: Zwischen den beiden o.g. Schichten befindet sich eine neutrale Grenzschicht, die freigesetzte Ladungen lediglich mittels Sonnenlicht passieren können. In diesem Kern der Solarzelle entsteht durch Elektronenbewegungen ein elektrisches Feld, das auch p-n-Übergang genannt wird.
Darüber hinaus besitzt eine Solarzelle Metallkontakte auf Vorder- und Rückseite, die die erzeugte elektrische Energie weiterleiten sowie eine Anti-Reflektionsschicht, die dafür sorgt, dass möglichst viel Sonnenlicht einstrahlen kann.
Sobald die Sonne scheint, reagiert das halbleitende Silizium auf die sog. Photonen aus den Sonnenstrahlen, indem Elektronen losgelöst und beweglich gemacht werden, wobei dann positiv geladene “Löcher” zurückbleiben. Während die Elektronen aufgrund der Anziehungskräfte zur Oberseite des Siliziums wandern, bewegen sich die Löcher zur Unterseite. Die Ladungen fließen nach oben durch die leitenden Metallschichten ab und gelangen so zum Verbraucher. Der Stromkreislauf wird dadurch geschlossen, dass die Elektronen zurück zur Schicht mit den fehlenden Elektronen wandern. Der Prozess beginnt von vorn. Je stärker die Sonneneinstrahlung ist, desto mehr Elektronen werden freigesetzt. Anders ausgedrückt: Je mehr Licht auf die Solarzelle trifft, desto mehr Strom wird produziert.
Ausführliche Erläuterung unter
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