August 17, 2022

Wie funktioniert die Fotovoltaik?

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Licht in Elektrizität auf atomarer Ebene. Einige Materialien weisen eine Eigenschaft auf, die als photoelektrischer Effekt bekannt ist und dazu führt, dass sie Photonen des Lichts absorbieren und Elektronen freisetzen. Wenn diese freien Elektronen eingefangen werden, entsteht ein elektrischer Strom, der als Elektrizität genutzt werden kann.

Der photoelektrische Effekt wurde erstmals 1839 von dem französischen Physiker Edmund Bequerel entdeckt, der feststellte, dass bestimmte Materialien bei Lichteinwirkung geringe Mengen elektrischen Stroms erzeugen. Im Jahr 1905 beschrieb Albert Einstein die Natur des Lichts und den photoelektrischen Effekt, auf dem die Fotovoltaik beruht, wofür er später den Nobelpreis für Physik erhielt. Das erste photovoltaische Modul wurde 1954 von den Bell Laboratories gebaut. Es wurde als Solarbatterie angepriesen und war meist nur eine Kuriosität, da es zu teuer war, um eine breite Anwendung zu finden. In den 1960er Jahren begann die Raumfahrtindustrie, die Technologie erstmals ernsthaft für die Stromversorgung an Bord von Raumfahrzeugen zu nutzen. Durch die Raumfahrtprogramme wurde die Technologie weiterentwickelt, ihre Zuverlässigkeit etabliert, und die Kosten begannen zu sinken. Während der Energiekrise in den 1970er Jahren wurde die Photovoltaik als Stromquelle für Anwendungen außerhalb der Raumfahrt anerkannt.

Das obige Diagramm veranschaulicht die Funktionsweise einer einfachen photovoltaischen Zelle, auch Solarzelle genannt. Solarzellen werden aus denselben Halbleitermaterialien wie Silizium hergestellt, die auch in der Mikroelektronikindustrie verwendet werden. Für Solarzellen wird eine dünne Halbleiterscheibe speziell behandelt, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das auf einer Seite positiv und auf der anderen negativ ist. Wenn Lichtenergie auf die Solarzelle trifft, werden Elektronen aus den Atomen des Halbleitermaterials herausgeschlagen. Wenn an der positiven und negativen Seite elektrische Leiter angebracht werden, die einen Stromkreis bilden, können die Elektronen in Form von elektrischem Strom eingefangen werden. Dieser Strom kann dann zur Versorgung eines Verbrauchers, z. B. eines Lichts oder eines Werkzeugs, verwendet werden.

Eine Reihe von Solarzellen, die elektrisch miteinander verbunden und in einer Trägerstruktur oder einem Rahmen montiert sind, wird als Photovoltaikmodul bezeichnet. Die Module sind so konstruiert, dass sie Strom mit einer bestimmten Spannung liefern, z. B. mit einem üblichen 12-Volt-System. Der erzeugte Strom hängt direkt davon ab, wie viel Licht auf das Modul fällt.

Mehrere Module können zu einem Array zusammengeschaltet werden. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Fläche eines Moduls oder einer Anlage ist, desto mehr Strom wird erzeugt. Photovoltaik-Module und -Anlagen erzeugen Gleichstrom (DC-Strom). Sie können sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden, um jede gewünschte Spannungs- und Stromkombination zu erzeugen.

Die heute gebräuchlichsten PV-Geräte verwenden einen einzigen Übergang oder eine Schnittstelle, um ein elektrisches Feld in einem Halbleiter wie einer PV-Zelle zu erzeugen. In einer PV-Zelle mit einem Übergang können nur Photonen, deren Energie gleich oder größer als die Bandlücke des Zellenmaterials ist, ein Elektron für einen Stromkreis freisetzen. Mit anderen Worten, die photovoltaische Reaktion von Zellen mit einem Übergang ist auf den Teil des Sonnenspektrums beschränkt, dessen Energie über der Bandlücke des absorbierenden Materials liegt, und Photonen mit niedrigerer Energie werden nicht genutzt.
Eine Möglichkeit, diese Beschränkung zu umgehen, besteht darin, zwei (oder mehr) verschiedene Zellen mit mehr als einem Bandabstand und mehr als einem Übergang zu verwenden, um eine Spannung zu erzeugen. Diese werden als „Mehrfachzellen“ bezeichnet (auch „Kaskaden-“ oder „Tandemzellen“ genannt). Mit Mehrfachzellen lässt sich ein höherer Gesamtwirkungsgrad erzielen, da sie mehr Energie des Lichtspektrums in Strom umwandeln können.

Wie unten dargestellt, besteht ein Mehrfachzellenelement aus einem Stapel einzelner Einzelzellen in absteigender Reihenfolge der Bandlücke (Eg). Die oberste Zelle fängt die energiereichen Photonen ein und gibt den Rest der Photonen weiter, damit sie von Zellen mit niedrigerem Bandabstand absorbiert werden.