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Photovoltaik (Photovoltaik ist ein Begriff, der die Umwandlung von Licht in Elektrizität mit Hilfe von Halbleitermaterialien, die den photovoltaischen Effekt aufweisen, ein Phänomen, das in der Physik, Photochemie und Elektrochemie studiert wird) beschäftigt sich mit der direkten Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie durch den “photovoltaischen Effekt”, den Beqürel bereits 1839 entdeckt hat. Dieser photovoltaische Effekt basiert auf dem internen Fotoeffekt, bei dem die Elektronen das Material nicht wie beim in der Klasse diskutierten externen Fotoeffekt verlassen, sondern im bestrahlten Objekt verbleiben. Halbleiter wie Selen (Selen ist ein chemisches Element mit dem Symbol Se und der Ordnungszahl 34), aber auch Kupfer(I)oxid und Bleisulfid sind dafür besonders geeignet; heute wird hauptsächlich Silizium verwendet, da es im Sonnenspektrum sehr gut absorbiert, zudem ist es billig, reichlich vorhanden und kann auch die Ladungen in einer Solarzelle trennen.
Funktionsweise einer Solarzelle :
In der Solarzelle wird zunächst ein Teil der eingestrahlten Photonenenergie in elektrische Energie umgewandelt und dann mit Hilfe von Ladungsträgern geeigneter Schnittstellen getrennt.
1. Absorption von Photonen:
Elektronen können nur bestimmte Energiezustände besetzen, die sogenannten “diskreten Energieniveaus” oder Energiebänder. Trifft ein Photon mit ausreichender Energie E= hf auf ein Elektron im Valenzband (die ober
ste Energieebene (ein quantenmechanisches System oder Teilchen, das gebunden ist – also räumlich begrenzt – kann nur bestimmte diskrete Energiewerte annehmen), die von Elektronen besetzt sind), es kann das Elektron in das Leitungsband heben (hier sind die Elektronen nicht mehr an das Atom gebunden (ein Atom ist die kleinste Einheit der gewöhnlichen Materie mit den Eigenschaften eines chemischen Elements) und sind frei beweglich). Gleichzeitig bildet sich im Valenzband ein Elektronenloch, das wie das Elektron im Leitungsband frei verschiebbar ist.
2. Trennung durch den p/n-Übergang:
Am Übergang vom n-dotierten Bereich zur p-dotierten Halbleiterschicht bildet sich eine Grenzschicht mit einer internen Diffusionsspannung. Dies bewirkt, dass das Elektronenloch (in der Physik, Chemie und Elektronik ist ein Elektronenloch das Fehlen eines Elektrons an einer Stelle, an der man in einem Atom oder Atomgitter existieren könnte) durch das Photon freigesetzte Paare (Ein Photon ist ein Elementarteilchen, das Quantum des elektromagnetischen Feldes einschließlich elektromagnetischer Strahlung wie Licht, und der Kraftträger für die Absorption der elektromagnetischen Kraft) sofort getrennt und zu den entsprechenden Polen geleitet wird.
Struktur einer Solarzelle :
Basis für die Solarzelle ist ein stabiler Metallkontakt, der auch als erste Elektrode fungiert. Es folgt eine etwa 50 bis 100 µm dicke p-Halbleiterschicht, gefolgt von einer weniger als 50 µm dicken Halbleiterschicht (Halbleiter sind kristalline oder amorphe Festkörper mit ausgeprägten elektrischen Eigenschaften). Darüber hinaus besteht die Solarzelle aus der zweiten Elektrode (Eine Elektrode ist ein elektrischer Leiter, der zur Kontaktierung eines nichtmetallischen Teils einer Schaltung (z.B.) und einer lichtdurchlässigen Schutzschicht dient.
Wirkungsgrad:
Obwohl die Nutzung des photovoltaischen Effekts (Der photovoltaische Effekt ist die Erzeugung von Spannung oder elektrischem Strom in einem Material bei Lichteinwirkung und ist eine physikalische und chemische Eigenschaft/Phänomen) in der Solarzelle sozusagen der “Königsweg” zur Energiegewinnung, da dies die einzige Möglichkeit ist, Sonnenenergie direkt und ohne Umwege über Wärme oder Biomasse (Biomasse ist ein Branchenbegriff für die Energiegewinnung durch Verbrennung von Holz und anderen organischen Stoffen) in elektrische Energie umzuwandeln, haben Solarzellen niedrige Wirkungsgrade. Bereits 24% der bestrahlten Sonnenenergie (Solarenergie ist strahlendes Licht und Wärme von der Sonne , die durch eine Reihe sich ständig weiterentwickelnder Technologien wie Solarthermie, Photovoltaik , Solarthermie, Solararchitektur, Salzschmelzkraftwerke und künstliche Photosynthese genutzt wird) geht verloren, weil die Energie einiger Photonen nicht ausreicht, um ein Elektron zu heben (Das Elektron ist ein subatomares Teilchen), Symbol oder bei negativer elektrischer Elementarladung in das Leitungsband (in der Festkörperphysik sind Valenzband und Leitungsband die dem Fermi-Pegel am nächsten liegenden Bänder und bestimmen somit die elektrische Leitfähigkeit des Festkörpers); weitere 32% gehen verloren, weil die Energie anderer Photonen zu hoch ist. Außerdem rekombinieren einige Elektronen wieder mit den Löchern, teilweise auch unter Emission von Photonen, deren Energie in einem besonderen Gleichgewicht zum bestrahlten Sonnenlicht stehen muss. Daraus ergibt sich ein maximaler theoretischer Wirkungsgrad von 30% für Solarzellen. Doch das ist fast erreicht: Die Besten erreichen einen Wirkungsgrad von 25 bis 27%, der Industriestandard liegt bei knapp 20%.
Zukunftsperspektiven für die Solarzelle:
Die Solarzelle (Eine Solarzelle, oder Photovoltaikzelle, ist ein elektrisches Gerät, das die Energie des Lichts durch den photovoltaischen Effekt, der ein physikalisches und chemisches Phänomen ist, direkt in Strom umwandelt) bietet viele Vorteile gegenüber anderen Arten der Energieerzeugung : Es ist verschleißfrei, benötigt keine Betriebsstoffe, kann aus uneingeschränkt verfügbaren Materialien wie Silizium hergestellt werden und ist absolut umweltfreundlich, da es keine toxischen Stoffe enthält oder benötigt, keine Schadstoffe emittiert und durch seinen Betrieb Ressourcen schont. Da er je nach Größe auch transportiert werden kann, bietet er ein breites Anwendungsspektrum (Satellit, Armbanduhr, Solarmobil, etc.). Allerdings ist man immer von der Sonne und damit von Wetter und Tageszeit abhängig, und da elektrische Energie nicht gespeichert werden kann, muss man sie entweder sofort verbrauchen oder durch Umwandlung in z.B. chemische Energie mit der Batterie einen gewissen Energieverlust speichern. Zudem ist Solarenergie auch heute noch absolut unwirtschaftlich, da sie in der Regel viel zu teuer ist. Doch unter extremen Bedingungen, wo z.B. die Verlegung einer Stromleitung noch weniger wirtschaftlich wäre, sind Solarzellen bereits wettbewerbsfähig: Elektrische Verkehrszeichen auf der Autobahn A8 (ist eine Autobahn in Süddeutschland, die 497 km von der Luxemburger Autobahn A13 bei Schengen über Neunkirchen, Pirmasens, Karlsruhe, Stuttgart, Ulm, Augsburg und München zur österreichischen Westautobahn bei Salzburg führt) werden mit Solarenergie betrieben. Nun ist es an den Wissenschaftlern, die Einsatzmöglichkeiten von Solarzellen weiter zu verbessern, damit sich die Solarenergie weiter etablieren kann. Auf jeden Fall wird die Solarenergie aus finanzieller Sicht immer attraktiver, wie die folgenden Zahlen zeigen.