Kurs: Grundlagen und Perspektiven der Energiewende | OnCourse UB

  • Lektion 2

    • Das Prinzip der Photovoltaik

      Photovoltaik

      Photovoltaik beschreibt die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Diese Umwandlung geschieht mit Hilfe sogenannter Solarzellen, die zu mehreren in einem Photovoltaik-Modul enthalten sind.

      Wesentlicher Bestandteil der Solarzelle ist das Element Silizium, dass als Halbleiter wirkt und ein Halbmetall ist.
      Halbleiter haben die Eigenschaft Strom nur unter bestimmten Bedingungen leiten zu können, im Gegensatz zu anderen Elementen oder Verbindungen, die Strom immer leiten (z.B. alle Metalle) oder nichtleitend wirken (z.B. Salze).
      Wenn Strom fließt, ist das eigentlich eine gerichtete Bewegung von Elektronen von einem Atomkern zum nächsten. Elektronen sind an einen Atomkern gebunden  und je nachdem wie fest diese Bindung ist, kann Strom fließen oder nicht. Die Elektronen, die potentiell fließen können, nennt man Valenzelektronen.
      Silizium bildet in seiner kristallinen Form ein regelmäßiges Atomgitter, dabei sind für jedes Atom vier äußere Elektronen, die Valenzelektronen, gleichmäßig verteilt. Die Elektronen zweier benachbarter Atome bilden ein Elektronenpaar. In diesem Zustand sind die Valenzelektronen fest gebunden und können nicht fließen. Das Silizium leitet in diesem Zustand keinen Strom.

      Es gibt auch andere Verbindungen, die sehr ähnliche Eigenschaften zu Silizium haben und ebenfalls in der Photovoltaik Anwendung finden: Gallium-Arsenid und Cadmium-Tellurid.

      Damit in solch einem Gitter trotzdem Strom fließen, also Elektronen in Bewegung kommen können, müssen die Valenzelektronen so stark angeregt werden, dass die Bindung mit dem anderen Elektron und dem Atomkern aufbricht. Diese Anregung kann durch die Erhöhung der Temperatur oder durch auftreffende Strahlung, also auch Licht, geschehen.


      Photoelektrischer Effekt

      Die Anregung des Energiezustands durch eintreffendes Licht, wird als innerer photoelektrischer Effekt bezeichnet. Er ist die Grundlage der Energieumwandlung in einer Solarzelle. Ein durch Licht angeregtes Elektron kann seine Position in dem Gitter verlassen und hinterlässt dann ein Elektronenloch im Kristallgitter. Wenn mehrere dieser Löcher entstehen, können diese von einem anderen angeregten Elektron gefüllt werden. Wenn das Silizium in einen Stromkreis eingebunden ist, verläuft der Fluss der Elektronen gerichtet, d.h. ein angeregtes Elektron springt immer zu einem Loch in Richtung des Pluspols des Feldes. Die Löcher des Gitters verschieben sich dadurch in die entgegengesetzte Richtung. 


      (Eigene Darstellung, basierend auf Mertens (2020))

    • In der Photovoltaik werden in der Regel keine reinen Halbleiter eingesetzt, weil deren Leitfähigkeit noch etwas zu gering ist. Um den Elektronenfluss zu verbessern werden die Halbleiterkristalle dotiert, d.h. ein anderes Atom wird in das Siliziumgitter eingebracht. Dieses Atom hat entweder ein Valenzelektron mehr und erzeugt ein überschüssiges Elektron im Gitter, die sogenannte n-Dotierung, oder es hat ein Valenzelektron weniger als Silizium und erzeugt damit ein Elektronenloch, die sogenannte p-Dotierung.



      Wenn n- und p-dotierte Schichten aneinander liegen baut sich ein Bereich auf, die sogenannte Raumladungszone, in der sich die überschüssigen Elektronen der n-Schicht in die Löcher der p-Schicht setzen. Wenn jetzt eine Spannung angelegt wird, dann fließt Strom, der größer wird je größer die angelegte Spannung ist. Der Strom kann nur in eine Richtung fließen.



      Eine klassische Solarzelle besteht aus einer dickeren p-dotierten Schicht, p-Basis genannt, und auf ihr liegt, dem Licht zugewandt, die n-dotierte Schicht, die n+-Emitter genannt wird. Das Licht regt die Valenzelektronen in beiden Schichten an und die Elektronen fließen aus der n-Schicht zu Metallschienen, die mit dem Minuspol verbunden sind. Die Löcher die in der p-Schicht entstehen wandern zu einer Platte die unterhalb der p-Basis anliegt und werden dort mit Elektronen gefüllt. Damit das Licht gut in die Schichten eindringen kann, ist auf der Oberfläche eine Antiflexionsschicht angebracht.

      Solarzellen werden nicht einzeln verwendet, sondern werden in Photovoltaikmodulen (= Solarmodul) miteinander kombiniert. Diese bestehen auch aus zusätzlichen Elementen die Struktur geben und die Solarzellen vor physischer Einwirkung schützen. Oft gehören mehrere PV-Module zu einer Solaranlage zu der auch ein Wechselrichter gehört, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, der im regulären Stromnetz vorhanden ist. 

    • Wirkungsgrad von Solarzellen und Photovoltaik
      In Kapitel 4 wurde bereits besprochen, dass das Sonnenlicht aus verschiedenen Wellenlängen besteht. Solarzellen können größere Teile des sichtbaren Lichts nutzen als Pflanzen. Sie nutzen im Prinzip das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts. Der Wirkungsgrad, also das Verhältnis aus der eintreffenden Energie des Lichts und der daraus gewonnenen Energie, ist relativ hoch. Allerdings ist dies nur der Wirkungsgrad der Solarzelle selbst unter optimalen Bedingungen. Der Wirkungsgrad eines Photovoltaikmoduls liegt derzeit bei ca. 21,6%. In den letzten Jahren konnte der Wirkungsgrad für neu hergestellte Module pro Jahr um ca. 0,4 bis 0,6% gesteigert werden (vgl. Wirth (2024)). Rekorde für den Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen liegen bei 46%, diese werden allerdings mit speziell konzipierten Modulen im Labor erzielt (vgl. Phillipps & Warmuth (2024)). Dennoch ist anzunehmen, dass auch in den kommenden Jahren die Leistungsfähigkeit von Modulen zunehmen wird.

      Die bisher beschriebene Solarzelle wird auch als Standardsolarzelle bezeichnet. Basierend darauf wurden zahlreiche technische Modifikationen entwickelt, die wir hier nicht im Detail besprechen, aber dazu führen, dass es eine Vielzahl unterschiedlicher Solarzell- und Modultypen gibt. Die technischen Modifikationen können zum einen dazu dienen einen höheren Wirkungsrad zu erzielen, aber auch dazu leichtere, dünnere oder langlebigere Photovoltaikmodule herzustellen oder den Herstellungsprozess zu vereinfachen.
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