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Aufbau und Wirkungsweise von Solarzellen

30. April 2010 | Keine Kommentare | Hits: 2115

Solarzellen wandeln die Strahlungsenergie der Sonne direkt in elektrische Energie um. Es gibt verschiedene Typen von Solarzellen. Die Differenzierung erfolgt häufig durch die Materialdicke, ein weiteres Merkmal ist die Art des Materials. Am verbreitetsten sind Solarzellen aus Silizium, einem Halbleiter.

Neuere Solarzellen wie zum Beispiel aus organischen Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Plastiksolarzellen) oder organischen Farbstoffen (Grätzel-Zellen) können die Effektivität von herkömmlichen Halbleitersolarzellen noch nicht erreichen. Die weiteren Ausführungen beziehen sich daher auf die gebräuchliche Siliziumsolarzelle.

Aufbau von Solarzellen

Die Siliziumsolarzelle besteht, ähnlich wie eine Fotodiode, aus einer n-Schicht (n steht für frei bewegliche negative Ladung, hier besteht ein Elektronenmangel), einer Grenzschicht, einer p-Schicht (p steht für frei bewegliche positive Ladung, hier besteht ein Elektronenüberschuss), einer Metallplatte (Pluspol), einem Kontaktfinger (Minuspol) sowie einer Sammelschiene. Die n-Schicht ist besonders dünn (ca. 0,001 mm), die p-Schicht ist mit ca. 0,6 mm erheblich dicker. Diese beiden Schichten entstehen durch Dotierung, das heißt, in das Grundmaterial Silizium werden Fremdatome eingebracht, so dass zusätzliche, frei bewegliche Elektronen entstehen. Beide Schichten sind mit je einem Metallkontakt versehen (n-Schicht Minuspol, p-Schicht Pluspol).

Zwischen n-Schicht und p-Schicht liegt die Raumladungszone, auch Grenzschicht genannt. Hierbei handelt es sich um ein elektrisches Feld, das durch Diffusion der in der n-Schicht und der p-Schicht befindlichen zusätzlichen Elektronen entsteht. Diffusion bedeutet, dass frei bewegliche Elektronen versuchen, unterschiedliche elektrische Ladungen in angrenzenden Schichten auszugleichen, in dem sie sich zwischen ihnen bewegen.

Wirkungsweise von Solarzellen

Fällt Sonnenlicht auf die Solarzelle, trifft es zuerst auf die dünne n-Schicht und durch diese, ohne viel Energie zu verlieren, in die Raumladungszone. In der Raumladungszone befinden sich bewegliche negativ geladene Elektronen und so genannte positive Löcher (bewegliche positive Elektronen). Durch die Energie des einfallenden Sonnenlichts werden nun jeweils ein negativ geladenes Elektron und ein positives Loch dazu veranlasst zu wandern. Dabei wandert das negative Teilchen durch den positiv geladenen Bereich (p-Schicht) und das positive Teilchen durch den negativ geladenen Bereich (n-Schicht) zu den an den jeweiligen Schichten angeschlossenen Metallkontakten. Es entsteht eine Spannung (ca. 0,5 Volt). Wird der Stromkreis geschlossen, indem ein Verbraucher angeschlossen wird, fließen die Elektronen über den Verbraucher und die Metallkontakte der Solarzelle in die Raumladungszone zurück. Es ist elektrischer Strom erzeugt worden.

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