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Von Solarzellen, Halbleitern und Elektronen

Photovoltaik konkret

Die Möglichkeit mit Hilfe des Sonnenlichts elektrischen Strom zu erzeugen, ist schon vor mehr als 150 Jahren, im Jahr 1839, entdeckt worden. Abgeleitet von dem griechischen Wort für Licht „Phos“ und dem Nachnamen von Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizitätsforschung aus dem 18. Jahrhundert nannte man das Phänomen „Photovoltaik“.

Die Erklärung, was bei diesem photovoltaischen Effekt passiert und welche Prozesse in einer Solarzelle ablaufen, mußte allerdings noch rund hundert Jahre auf sich warten lassen. Erst zu Beginn unseres Jahrhunderts hat die Wissenschaft mehr Einblick in die Geheimnisse der Sonnenenergie gewonnen.

Funktionsprinzip Solarzelle © DOE

Sonnenlicht besteht aus Photonen, die abhängig von der Wellenlänge des Lichts, jeweils bestimmte Mengen an Energie enthalten. Trifft das Sonnenlicht auf einen Sonnenkollektor, wird nur ein Teil der Lichtenergie absorbiert, die restliche Strahlung wird reflektiert oder dringt ungehindert durch.

Die Höhe des absorbierten Anteils ist der entscheidende Faktor für die Effektivität einer Solarzelle. In der Solartechnik werden immer neue, noch absorbierendere Materialien getestet und entwickelt, um die Effektivität und damit die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik zu steigern.

Während die ersten Solarzellen nur etwa ein bis zwei Prozent der Sonnenenergie in Strom umwandeln konnten, liegt die Konversionseffektivität heute erheblich höher. Das Grundmaterial für 95 Prozent der heute verwendeten Solarzellen ist kristallines Silizium, ein Stoff, dessen Wirkungsgrad bei entsprechender Dicke zwischen 12 und 18 Prozent liegt. Erheblich effektiver, wenn auch in der Herstellung teurer, sind Dünnschichtsolarzellen, die aus Cadmiumtellurid, Kupfer-Iridium-Selenid oder amorphem Silizium hergestellt werden. Bei diesen Materialien genügt eine Schichtdicke von wenigen Mikrometern, da sie eine hohe Absorptionsfähigkeit besitzen.

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Eine Solarzelle besteht im Prinzip aus zwei verschiedenen Halbleiterschichten, die über eine Grenzschicht miteinander verbunden sind. Die sogeannnte „n“ Schicht hat einen Elektronenüberschuß, die darunterliegende „p“-Schicht einen Elektronenmangel und damit „Löcher“ im Elektronengitter. Über die Grenzschicht tauschen beide Halbleiter Elektronen aus, durch den Fluß von Elektronen von der „n“- zur „p“- Schicht entsteht eine elektrische Spannung.

Wenn die Photonen des Sonnenlichts auf die Atome der „p“-Halbleiterschicht treffen, geben sie ihre Energie an deren Elektronen weiter. Mit dieser Energie können die Elektronen sich aus ihrer Bindung an das Atom lösen, sie springen aus ihrer Bahn und wandern über die Grenzschicht in den darüberliegenden Halbleiter. Durch den dort herrschenden Elektronenüberschuß werden sie mit dem Elektronenstrom in Richtung der Oberfläche und in einen Stromkreis geleitet.

Damit dieses System funktioniert, muß verhindert werden, daß die freigesetzten Elektronen einfach die nahegelegenen Löcher besetzen, anstatt durch die Grenzschicht abgeleitet zu werden. Der besondere Aufbau der Halbleiterschichten soll daher bewirken, daß möglichst viele Elektronen möglichst nahe an der Grenzschicht freiwerden und für die Stromerzeugung zur Verfügung stehen.

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Stand: 19.11.2001

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Erneuerbare Energien
Welche Zukunft haben die "Ressourcen der Zukunft"

Überblick
Das Wichtigste in Kürze

Ungenutzte Potentiale...
Trends, Probleme und Nutzung in Deutschland und weltweit

Teure Alternative?
Wirtschaftliches Potential der erneuerbaren Energien

Mit gutem Beispiel voran...
Der Einsatz erneuerbarer Energien für öffentliche Gebäude

Strom und Wärme von der Sonne
Entwicklung und Einsatzmöglichkeiten der Solarenergie

Photovoltaik konkret
Von Solarzellen, Halbleitern und Elektronen

Ressource Erdwärme
Das Erdinnere als Energiequelle

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Vom Experiment zum Wirtschaftsfaktor
Die Entwicklungen in der Windkraft-Nutzung

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