Geschichte: Photoeffekt: Funktionsprinzip einer Solarzelle

Photovoltaik
Photovoltaik (griech. phos, photos: Licht; Graf Volta, 1 745-1 827, italienischer Physiker) ist die direkte
Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität.
Geschichte:
- 1 839: Becquerel entdeckt den Photoeffekt.
- 1 954: Erste Silizium-Solarzelle wird in den
amerikanischen Bell-Laboratories entwickelt
(Wirkungsgrad: 5%).
Photoeffekt:
- Die Energie der Photonen (mit Wellenlänge λ) des Lichts berechnet sich durch: E=h*c/λ
(c ist die Lichtgeschwindigkeit. Sie beträgt ≈ 300Mio m/s und h das Planck´sche Wirkungsquantum.)
- Das Lösen von Elektronen vom Kern durch Photonen wird als äußerer Photoeffekt bezeichnet.
- Im Bändermodell wird bei einem Leiter das Leitungsband von dem sogenanten Valenzband getrennt. Wenn bei
Raumtemperatur nur in Letzterem Elektronen enthalten sind, wird der Leiter Halbleiter genannt.
- Halbleiter sind wichtig für die Photovoltaik, da Photonen die Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband
anheben können. Dies wird dann innerer Photoeffekt genannt.
Funktionsprinzip einer Solarzelle:
- Solarzellen sind häufig aus Silizium, da dieses ein elementarer Halbleiter (s.o.) ist.
- Unter Einfluss von Photonen wird ein innerer Photoeffekt (s.o.) erzeugt. Wenn ein Elektron verschoben wird, bleibt ein
"Loch" (Defektelektron) zurück. Dadurch entsteht die sogenannte Eigenleitung des Halbleiters. Dieser Wert ist
temperaturabhängig und kann für verschiedene Verwendungszwecke gebraucht werden, jedoch nicht zur Herstellung
elektrischen Stroms.
- Hierfür wird die sogenannte Störstellenleitung verwendet: In das Silizium wird ein Atom mit einem Elektron mehr
integriert, dieses Elektron ist dann leicht trennbar.
- Gegenüberliegend wird ein Atom mit einem Elektron weniger integriert, es entsteht ein weiters Loch. Durch die
Bewegung des Elektrons entsteht ein elektrisches Feld. Die Diffusionsspannung kann dann durch einen elektrischen
Verbraucher genutzt werden.
- Nicht alle entstehende Energie kann genutzt werden, durch Reflexionen und andere Effekte kommt es zu
Leistungsverlusten, daher gibt es einen bestimmten Wirkungsgrad.
Herstellung von Solarzellen:
- Nach einem speziellen Gewinnungsverfahren von Silizium können polykristalline Solarzellen hergestellt werden. Das
bedeutet, dass die Kristalle unterschiedlich ausgerichtet sind. So entstehen sogenannte Korngrenzen, durch die Verluste
bei der Solarzelle auftreten können.
- Aus diesen polykristallinen Zellen kön nen jedoch auch monokristalline hergestellt werden. Hierzu ist ein weiteres
spezielles Verfahren nötig, welches unter hohen Temperaturen stattfindet. Die Korngrenzen verschwinden und der
Wirkungsgrad der Zelle wird erhöht.
- Die Atome, die nötig sind für die Störstellenleitung, werden eingebracht (Dotierung) und danach werden die Front- und
Rückseitenkontakte durch ein Siebdruck-Verfahren aufgebracht.
- Nun wird noch eine dunkelblaue Antireflexionsschicht aufgetragen, die der Zelle die charakteristische Farbe verleiht.
- Weitere Verfahren können den Wirkungsgrad einer modernen Solarzelle auf über 20% steigern.
Projektkurs Erneuerbare Energien - Jens Hühn