Energielexikon → Solarzelle
EnergieUmweltKlimaFossile EnergienKernenergieSolarenergieWind- und WassernutzungBiomasse/BioenergieWärme als NutzenergieKraft/Mechanische Energie als NutzenergieLicht als NutzenergieInformationstechnik und Kommunikation als NutzenergieTreibstoffe als EnergieträgerStrom als Energieform

Solarzelle

COPYRIGHT TEXT & BILDER: Michael Bockhorst

Energiewandler von Lichtstrahlungs-Energie in elektrische Energie, daher auch die Bezeichnung ,,Photovoltaik`` für diese Art der Solarenergienutzung.

ßolarzelle_schema.gif"

Funktionsweise von Solarzellen

Eine Solarzelle kann als großflächige Halbleiterdiode aufgefaßt werden, deren Grenzschicht so angeordnet ist, daß Licht in sie eindringen kann. In einer solchen Solarzelle baut sich durch die Bearbeitung - die Dotierung - der beiden Materialien, die an der Grenzfläche aufeinanderstoßen, ein elektrische Feld auf: Elektronen (negative elektrische Ladung) und Elektronenlöcher (positive elektrische Ladung) sind durch die Dotierung zu beiden Seiten der Grenzschicht in unterschiedlichen Konzentrationen vorhanden.

Auch wenn die Solarzelle nicht beleuchtet ist, kann eine Spannung gemessen werden. Schließt man allerdings einen Verbraucher an, so fließt kurzzeitig ein winziger Strom, der die Ladungdifferenz an den Kontakten der Solarzelle ausgleicht. Es kann keine nennenswerte Leistung entnommen werden.

Wird ein Solarzelle beleuchtet, werden in dem Feld, welches sich durch die Materialbeschaffenheit der Solarzelle in der Grenzschicht aufbaut, durch Lichteinwirkung erzeugte Elektron-Loch-Paare getrennt, stehen als Ladungsträger für den Stromfluß durch den Verbraucher zur Verfügung.

Allerdings können prinzipbedingt nicht mehr Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, als Lichtquanten auf die Zelle treffen. Von den Lichtquanten kann auch nur der Anteil genutzt werden, dessen Energie groß genug ist, ein Elektron-Loch-Paar zu erzeugen. Weiterhin kann ein Lichtquant relativ hoher Energie nur den Teil in nutzbare elektrische Energie umwandeln, der dazu benötigt wird, das Elektron-Loch-Paar zu erzeugen. Daraus resultiert für kommerziell verfügbare, mit vertretbarem Aufwand herstellbare Solarzellen - z.B. polykristalline Siziumzellen - ein Wirkungsgrad von etwa 12%. Von den maximal 1000W Sonneneinstrahlung pro Quadratmeter können also nur 120W in Form elektrischer Leistung verfügbar gemacht werden.

Angabe von Zellen- und Modulwirkungsgrad

Die Angabe des Wirkungsgrades kann auf zwei Flächenangaben bezogen werden: einmal auf die Zellenfläche, zum anderen auf die Modulfläche. Im ersten Fall wird nur die Zellentechnik berücksichtigt, im zweiten Fall zusätzlich die durch die Zellengeometrie benötigte Fläche. So kann der Zellenbezogene Wirkungsgrad für eine kreisförmige Zelle sehr hoch sein, in einem Modul wird er niedriger, weil kreisförmige Zellen nicht flächendeckend angeordnet werden können.

Entwicklung von Solarzellen

Der Effekt, daß mit Licht elektrischer Strom erzeugt werden kann, wurde schon 1860 von Bequerel beobachtet, bis zur Mitte unseres Jahrhunderts konnten schon Umwandlungswirkungsgrade von etwa 5% erreicht werden.

Erst mit der Halbleitertechnik, die durch die Entwicklung geeigneter Materialien und Verarbeitungstechniken Ende der 50er Jahre ihren rasanten Aufstieg begann, konnten Solarzellen mit definierten Eigenschaften und deutlich höheren Wirkungsgraden hergestellt werden.

Typen von Solarzellen

Einteilen kann man Solarzellen nach folgendem Schema, wobei die geringeren Werte des Wirkungsgrades für Serienprodukte, die höheren Werte für Laborexemplare charakteristisch sind:

Wenn das Material festgelegt worden ist, kann die Beschaffenheit der Solarzelle den Wirkungsgrad deutlich beeinflussen. Dazu zählt zum einen die Anbringung von Stromsammlern, die bei einer geringen Abschattung der eigentlichen Zelle vergleichsweise hohe Ströme transportieren können; zum anderen kann man die Oberfläche so gestalten, daß der auf die Solarzelle auftreffende Lichtanteil, der reflektiert wird, noch einmal auf das Halbleitermaterial auftreffen kann.

Weiterhin können Solarzellen eingeteilt werden in flach gebaute, nicht konzentrierende Systeme und sogenannte Konzentratorzellen. Letztere werden vorwiegend mit teuren hocheffizienten Solarzellen bestückt, die mit durch eine Linse gebündeltem Licht versorgt werden.

Anwendung von Solarzellen

Große Arrays von Solarmodulen bilden sogenannte photovoltaische Kraftwerke, die in Leistungsgrößen mit mehreren 100 Megawatt Spitzenleistung vorstellbar sind. Besonders interessant ist die weltraumgestützte Solarenergiegewinnung, die bei gleicher Fläche einen 5...10-fachen Ertrag erwarten ließe. Hemmnis ist der aufwendige Transport der Komponenten in eine z.B. geostationäre Umlaufbahn und der Transport der Energie zur Erde.

Beispiel:
120 Megawatt Spitzenleistung sollen installiert werden. Dazu ist eine Solarmodulfläche von etwa 0.8 Quadratkilometern notwendig. Der gesamte Flächenbedarf liegt bei etwa 1 Quadratkilometer mit Zugangs-Wegen, Aufständerung, Betriebsgebäude, etc. bzw. im Weltraum für die notwendigen Verstrebungen.

Durchschnittliche Leistung in Deutschland (1100 Vollsonnenstunden):
15,1 Megawatt

Durchschnittliche Leistung, Standort Sahara (2500 Vollsonnenstunden):
35,2 Megawatt

Durchschnittliche Leistung auf geostat. Orbit (8400 Vollsonnenstunden, 1,36 kW/m2):
156,5 Megawatt


energieinfo - mehr im Energieblog
(noch) keine verwandten Einträge im BLOG

Ihre Rückmeldung zu diesem Artikel:

Ihr Name:
Ihre Email-Adresse:
Kommentar: