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Energie-Frage der Woche: Wie funktioniert eine Solarzelle?

05. Juli 2010, 10.19, Jan Oliver Löfken, 0 Kommentar/e
Einen Wirkungsgrad von fast 20 Prozent haben derzeit im Handel erhältliche Solarzellen aus polykristallinem Silizium. Spezielle Solarzellen, aufgebaut aus anderen Halbleitern wie beispielsweise Galliumarsenid haben bereits die 40 Prozent-Hürde überwunden. Zellen aus organischen Materialien oder Farbstoffen dagegen wandeln bestenfalls zehn Prozent des Sonnenlichts in elektrischen Strom um. Alle nutzen den photovoltaischen Effekt. Doch was passiert dabei genau?

Der Reiz an Solarzellen ist die direkte Umwandlung der Strahlungsenergie im Sonnenlicht ohne Umwege in elektrischen Strom. In Kohle- oder Kernkraftwerken muss erst heißer Dampf erzeugt werden, der dann eine  Generatorturbine antreibt. Grundlage der Photovoltaik ist der "Photoelektrische Effekt", der im 19. Jahrhundert entdeckt und 1905 von Albert Einstein verstanden und physikalisch-schlüssig beschrieben wurde. Dabei stoßen Lichtteilchen, die Photonen, auf die Elektronen eines Festkörpers und schleudern sie aus ihrer Flugbahn um den Atomkern heraus.

Sonnenstrahlen befreien Elektronen aus ihren Bahnen

Genau das passiert mit dem "Inneren photoelektrischen Effekt" auch in Solarzellen. Die Photonen der Sonnenstrahlen verfügen über genug Energie, um in den Halbleitern – egal ob Silizium, Galliumarsenid oder bestimmte Kunststoffe – einzelne Elektronen aus ihren angestammten Bahnen um die Atomkerne zu stoßen. Aus dem zuvor gebundenen Elektron wird ein negativ geladenes "freies" Elektron, das ein positiv geladenes Elektronenloch zurück lässt. So entstehen freie Elektronen und Elektronenlöcher immer paarweise. Diese Elektronen-Loch-Paare bilden freie Ladungsträger, die durch ein inneres elektrisches Feld – erzeugt durch Dotierung, d. h. die Impfung des Halbleiters mit Fremdatomen - in entgegengesetzte Richtungen gelenkt werden. Erreichen die Elektronen die elektrischen Anschlüsse an einer Solarzelle, verursachen sie einen Überschuss an negativer Ladung. Dieser Überschuss kann als elektrische Spannung gemessen werden. Auf der Basis dieser Spannung können die Ladungsträger in einem externen Stromkreis einen elektrischen Strom erzeugen und Arbeit verrichten.

Emirat Abu Dhabi: Aufbau eines 10 Megawatt-PV-Kraftwerks zur Versorgung der geplanten

Emirat Abu Dhabi: Aufbau eines 10 Megawatt-PV-Kraftwerks zur Versorgung der geplanten "Nullemissionsstadt" Masdar City. Beide Bilder: Jan Oliver Löfken

Aber nicht jedes Elektron eines Halbleitermaterials kann durch Sonnenlicht aus seiner angestammten Bahn geschlagen werden. Denn die Energie der Lichtteilchen muss genau der Bindungsenergie der Elektronen entsprechen, um diese aus ihrer Flugbahn zu stoßen. So nutzen die meisten Solarzellen nur einen kleinen Teil des nutzbaren Sonnenspektrums, das von Ultraviolett bis Infrarot reicht. Ein Ziel der Photovoltaik-Forscher ist es daher, die Empfindlichkeit ihrer Zellen so zu verändern, dass sie mit einem möglichst großen Teil des Sonnenlichts Elektronen-Loch-Paare erzeugen können. Im Labor stapeln sie daher verschiedene Solarzellen übereinander, die jeweils einen anderen Spektralbereich nutzen.

Wie Loch-Paare wieder verschwinden können

Ein weiteres Problem bei der Entwicklung hoch effizienter Zellen ist das Verschwinden von Elektronen-Loch-Paaren noch bevor die Ladungsträger die elektrischen Kontakte erreicht haben. Denn während die Elektronen durch den Halbleiter wandern, können sie wieder auf ein freies Loch stoßen und fallen schlicht in dieses wieder zurück. Ein Mittel gegen diese "Rekombination" ist ein möglichst dünner Aufbau der lichtaktiven Halbleiterschichten. Allerdings sinkt mit geringerer Dicke wieder die Erzeugungsrate von Elektron-Loch-Paaren. So wandern die Photovoltaik-Forscher auf einem filigranen Grat, um eine möglichst hohe Stromausbeute zu erzielen.

Trotz aller Schwierigkeiten stimmen die Ergebnisse aus den Laboren weltweit optimistisch. Teure Zellen mit speziellen Materialien stellen immer neue Wirkungsgradrekorde auf. Die Ausbeute von handelsüblichen Siliziumzellen steigt langsam an, die Produktionskosten der Module sinken langfristig. Heute kann Photovoltaik-Strom zwar noch nicht mit den Kosten für Wind- oder Kohlestrom konkurrieren, aber der Preisunterschied schrumpft stetig.

Die DLR-Energiefrage der Woche im Wissenschaftsjahr "Die Zukunft der Energie"

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das Wissenschaftsjahr 2010 unter das Motto "Die Zukunft der Energie" gestellt. Aus diesem Anlass beantwortet der Wissenschaftsjournalist Jan Oliver Löfken in diesem Jahr jede Woche eine Frage zum Thema Energie in diesem Blog. Haben Sie Fragen, wie unsere Energieversorgung in Zukunft aussehen könnte? Oder wollen Sie wissen, wie beispielsweise ein Wellenkraftwerk funktioniert und wie effizient damit Strom erzeugt werden kann? Dann schicken Sie uns Ihre Fragen. Wissenschaftsjournalist Jan Oliver Löfken recherchiert die Antworten und veröffentlicht sie jede Woche in diesem Blog. 


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