Wie wird Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt?

Solarzellen
Solarzellen auf einem Modul | © pixabay
Funktionsweise einer Solarzelle

Solaranlagen setzen sich aus einem Verbund einzelner Photovoltaik-Module zusammen, die ihrerseits aus einer Vielzahl an Photozellen bzw. Solarzellen bestehen. Sie wandeln das einfallende Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Doch wie funktioniert das?

Halbleiterdioden mit lichtempfindlicher Grenzschicht

Solarzellen sind ihrer Funktion nach Halbleiterdioden. Eine Diode ist ein elektronisches Bauteil, das den Stromfluss in einer Richtung durchlässt und in der anderen Richtung blockiert. Zum Vergleich: Bei einem Metalldraht ist es unerheblich, in welche Richtung der Strom fließt.

Halbleiterdioden bestehen aus Elementen oder Verbindungen, die selbst nur eine geringe Leitfähigkeit aufweisen. In das Trägermaterial werden andere Materialien eingefügt (dotiert), die mehr oder weniger Außenelektronen haben (aus einer anderen chemischen Hauptgruppe). Das dotierte Material bleibt dabei nach außen hin elektrisch neutral, es bilden sich aber freie, ungebundene Elektronen oder Störstellen (Löcher). Das so erzeugte Material wird als n- bzw. p-leitend bezeichnet.

Werden n- und p-leitende Schichten in Berührung gebracht, findet im Grenzbereich ein Ausgleich der Ladungsträger statt und im p-n-Übergang entsteht eine neutrale Grenzschicht (auch Übergangsschicht). Zwischen der p-Schicht und der n-Schicht besteht dann eine Potentialdifferenz, die das weitere Wachstum der Grenzschicht verhindert. Es bildet sich ein stabiler Zustand heraus.

Photodioden, zu denen die Solarzelle gehört, sind Halbleiterdioden, bei denen durch Licht und an einem p-n-Übergang elektrischer Strom erzeugt wird. Durch Absorption eines energiegeladenen Lichtquants geht ein Elektron von seinem Grundzustand in einen angeregten Zustand über. Dadurch entsteht ein freies Elektron-Loch-Paar, das nach einiger Zeit wieder „rekombinieren“ würde.
Werden die beiden Schichten jedoch über einen externen Stromkreis verbunden, kommt es zu einem Ladungsausgleich durch Wanderung der frei beweglichen Elektronen und damit zu einem Stromfluss.

Da eine einzelne Solarzelle nur eine begrenzte elektrische Leistung erbringt, schaltet man eine Vielzahl solcher Zellen in Serie oder parallel zusammen. Daraus entsteht dann ein Photovoltaik-Modul, das eine nennenswerte Menge an Gleichstrom produzieren kann.

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