Photovoltaik  und  solarzellen

Photovoltaik beschäftigt sich mit der direkten Umsetzung von Lichtenergie in elektrische Energie, durch den „photovoltaischen Effekt“, den Bequerel schon 1839 entdeckte. Dieser photovoltaische Effekt beruht auf dem inneren Photoeffekt, bei dem die Elektronen nicht wie bei dem im Unterricht besprochenen äußeren Photoeffekt das Material verlassen, sondern in dem bestrahlten Objekt bleiben. Halbleiter wie z.B. Selen, aber auch Kupfer(I)Oxid und Bleisulfid eignen sich besonders dafür; heute wird hauptsächlich nur noch Silicium verwendet, da es im Sonnenspektrum sehr gut absorbiert, außerdem ist es billig, reichlich vorhanden und kann in einer Solarzelle die Ladungen auch noch trennen.   Funktionsweise einer Solarzelle: In der Solarzelle wird erst ein Teil der eingestrahlten Photonenenergie in elektrische Energie umgewandelt, und anschließend mit Hilfe von Ladungsträgern geeigneter Grenzflächen getrennt.

  1. Absorption der Photonen: Die Elektronen können nur bestimmte Energiezustände einnehmen, die sogenannten „diskreten Energieniveaus“ oder auch Energiebänder. Trifft nun ein Photon mit ausreichender Energie E= hf auf ein Elektron im Valenzband (das oberste von Elektronen besetzte Energieniveau), so kann es das Elektron in das Leitungsband (hier sind die Elektronen nicht mehr an das Atom gebunden und frei bewegbar) heben. Gleichzeitig entsteht beim Atom ein Elektronen“loch“ im Valenzband, das dann wie das Elektron im Leitungsband frei verschiebbar ist.   2. Trennung durch den p/n-Übergang: An dem Übergang von der n-dotierten Bereich zur p-dotierten Halbleiterschicht bildet sich eine Grenzschicht mit einer internen Diffusionsspannung.

Diese bewirkt, daß die durch die Photonenabsorbtion freigewordenen Elektronenlochpaare sofort getrennt und zu den entsprechenden Polen geleitet werden.   Aufbau einer Solarzelle: Den Grundstock für die Solarzelle bildet ein stabiler Metallkontakt, der zugleich als erste Elektrode fungiert. Darauf kommt eine ca. 50 bis 100 µm dünne p-Halbleiterschicht, und auf die Grenzschicht folgt eine weniger als 50µm dünne Halbleiterschicht. Des weiteren besteht die Solarzelle dann noch aus der zweiten Elektrode und einer lichtdurchlässigen Schutzschicht.   Wirkungsgrad: Obwohl die Nutzung des photovoltaischen Effekts in der Solarzelle sozusagen den „Königsweg“ der Energiegewinnung darstellt, da dies die einzige Methode ist, Sonnenenergie direkt und ohne Umwege über Wärme oder Biomasse in elektrische Energie umzuwandeln, haben Solarzellen geringe Wirkungsgrade.

Schon 24% der eingestrahlten Sonnenenrgie dadurch verlorengehen, daß die Energie einiger Photonen nicht ausreicht, um ein Elektron in das Leitungsband anzuheben; weitere 32% gehen verloren, weil die Energie anderer Photonen zu hoch ist. Des weiteren Rekombinieren sich auch einige Elektronen wieder mit den Löchern, z.T. auch unter Emission von Photonen, deren Energie in einem besonderen Gleichgewicht zum eingestrahlten Sonnenlicht stehen müssen. So ergibt sich für Solarzellen ein maximaler, theoretischer Wirkungsgrad von 30%. Dieser ist allerdings schon fast erreicht: Die besten erreichen einen Wirkungsgrad von 25 bis 27%, der Industriestandard liegt bei knapp unter 20%.

  Zukunftsaussichten für die Solarzelle: Die Solarzelle bietet gegenüber anderen Arten der Energiegewinnung viele Vorteile: Sie unterliegt keinem Verschleiß, sie benötigt keine Betriebsstoffe, kann aus uneingeschränkt verfügbaren Materialien wie Silicium hergestellt werden und ist absolut umweltfreundlich, da sie weder Giftstoffe beinhaltet oder benötigt, keine Schadstoffe emittiert und durch ihren Betrieb Ressourcen geschont. Da sie je nach Größe auch transportabel ist, bietet sie auch eine breite Palette von Anwendungsbereiche (Satellit, Armbanduhr, Solarmobil, etc.). Allerdings ist man immer von der Sonne und damit von Witterung und Tageszeit abhängig, und da sich elektrische Energie nicht speichern läßt, muß man die Energie entweder sofort verbrauchen oder durch Umwandlung in z.B. chemische Energie beim Akku einem damit verbundenen gewissen Energieverlust speichern.

Außerdem ist Solarenergie heute noch absolut unwirtschaftlich, da sie im allgemeinen viel zu teuer ist. Aber unter extremen Bedingungen, wo z.B. das Verlegen einer Stromleitung noch unwirtschaftlicher wäre, sind Solarzellen schon konkurrenzfähig: elektrische Straßenschilder auf der Autobahn A8 werden mit Solarenergie betrieben. Jetzt liegt es an den Wissenschaftlern, die Nutzungsmöglichkeiten der Solarzelle weiter zu verbessern, damit sich Solarenergie weiter etablieren kann. Vom Finanziellen wird die Solarenergie jedenfalls immer attraktiver, wie die folgenden Zahlen belegen.

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