Photovoltaik sieht so einfach aus, basiert aber auf ziemlich komplizierten Prozessen.
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Erklärt: Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?
Als Photovoltaik (PV) bezeichnet man die Umwandlung von Lichtenergie in elektrischen Strom mithilfe von Solarzellen. Letztere sind der entscheidende Bestandteil von Solarmodulen, sozusagen deren Funktionszellen. Die Module findet man vor allem auf Hausdächern, aber auch gebäudeunabhängige Solarparks nehmen immer mehr zu. Als Lichtquelle dient sinnigerweise die Sonne, schließlich stellt sie uns die Lichtenergie gratis zur Verfügung. Aber woraus besteht nun eine einzelne Solarzelle und was passiert in ihr, wenn Sonnenstrahlen auf sie treffen?
Woraus bestehen Solarzellen?
Solarzellen gibt es mittlerweile aus unterschiedlichsten Materialien, und es kommen regelmäßig neue hinzu, denn die PV-Forschung arbeitet mit Hochdruck daran, alternative Stoffe ausfindig zu machen, mit denen sich leistungsfähigere Zellen bauen lassen als die heutigen. Große Fortschritte hat die Forschung in den letzten Jahren zum Beispiel im Bereich der so genannten organischen Solarzellen gemacht. Diese bestehen aus speziellen, elektrisch leitfähigen Kunststoffen und können vergleichsweise günstig hergestellt werden.
Allerdings ist der Wirkungsgrad dieser Zellen bislang deutlich niedriger als der von klassischen Solarzellen, die aus „Halbleitern“ bestehen. Darunter versteht man Materialien, die bezüglich ihrer Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, gewissermaßen „Zwitterwesen“ sind. Sie stehen irgendwo zwischen den Isolatoren (z. B. Porzellan, Glas und viele Kunststoffverbindungen), die so gut wie gar keinen Strom leiten, und den Metallen, die bekanntlich eine sehr hohe Leitfähigkeit haben. Bei Halbleitern ist die elektrische Leitfähigkeit dagegen temperaturabhängig. Bei Temperaturen um den Nullpunkt verhalten sie sich praktisch wie Isolatoren, aber bei steigenden Gradzahlen – zum Beispiel ausgelöst durch Sonneneinstrahlung – nimmt die Leitfähigkeit kontinuierlich zu.
Dotierung von Halbleitern
Der bis heute am weitesten verbreitete Halbleiter in Solarzellen ist Silizium. Dieses kristalline Element wird aus Quarzsand (Siliziumdioxid) gewonnen. Allerdings wird Silizium in Solarzellen nicht in Reinform verwendet, sondern zuvor stofflich derart „manipuliert“, dass innerhalb des festen Kristalls ein schwaches elektrisches Spannungsfeld entsteht. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer „Dotierung“ des Halbleiters.
Im Rahmen der Dotierung baut man zum Beispiel eine größere Anzahl von Phosphor-Atomen in die eine Hälfte des Siliziums ein. Diese gehen eine feste Verbindung mit den Silizium-Atomen ein – sie fügen sich also fest in das Kristallgitter ein. Da aber Phosphor in seiner äußeren Atomschale ein bindungsfähiges Elektron mehr besitzt als Silizium, bleibt bei jeder dieser Bindungen sozusagen eine freie negative Ladung „übrig“. In die andere Hälfte des Siliziums baut man beispielsweise Bor-Atome ein, die in ihrer äußeren Schale ein Elektron weniger haben als Silizium. Bei der Verbindung der beiden Elemente entstehen deshalb „Löcher“ im Kristallgitter, weil nicht alle Bindungselektronen des Siliziums auf Seiten des Bors einen „Partner zum Andocken“ finden.
Als Ergebnis des ganzen Dotierungsvorgangs ist nun also ein Stück modifiziertes Silizium entstanden, das über zwei Pole verfügt: Auf der einen Seite gibt es einen Bereich mit überzähligen freien Elektronen, auf der anderen Seite einen Bereich mit „Bindungslöchern“, in denen eigentlich Elektronen fehlen. Es ist daher ein zumindest schwaches elektronisches Feld entstanden – zwischen den Polen herrscht eine Spannung. Würden sich die freien Elektronen nun in die Richtung des anderen Pols bewegen, um die Löcher zu „stopfen“, dann würde Strom fließen. Aber das tun sie nicht so einfach. Dafür ist die Bindung der negativen freien Elektronen an ihren positiven Atomkern viel zu groß. Außerdem hatten wir ja schon festgehalten, dass Silizium im Normalzustand ein nur schwach leitendes Material ist. Damit Strom fließt, bedarf es daher eines zusätzlichen Auslösers von außen: das Sonnenlicht!
