August 17, 2022

Wie funktioniert eine photovoltaische Zelle?

Eine photovoltaische Zelle (PV-Zelle), auch Solarzelle genannt, ist ein elektronisches Bauteil, das Strom erzeugt, wenn es Photonen oder Lichtteilchen ausgesetzt wird. Diese Umwandlung wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet, der 1839 vom französischen Physiker Edmond Becquerel1 entdeckt wurde. Erst in den 1960er Jahren fanden photovoltaische Zellen ihre erste praktische Anwendung in der Satellitentechnik. Seit Ende der 1980er Jahre werden Solarmodule, die aus PV-Zellen bestehen, auf Hausdächern installiert. Seit Beginn des 21. Jahrhunderts wächst die Photovoltaik-Kapazität stetig, vor allem durch den Bau riesiger Solarparks.

Wie eine Photovoltaikzelle funktioniert

Eine Fotovoltaikzelle besteht aus Halbleitermaterialien, die die von der Sonne ausgesandten Photonen absorbieren und einen Elektronenstrom erzeugen. Photonen sind Elementarteilchen, die die Sonnenstrahlung mit einer Geschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde übertragen. Albert Einstein bezeichnete sie in den 1920er Jahren als „Lichtkörner“. Wenn die Photonen auf ein Halbleitermaterial wie Silizium treffen, lösen sie die Elektronen aus den Atomen und lassen einen freien Raum zurück. Die verstreuten Elektronen bewegen sich wahllos umher und suchen nach einem anderen „Loch“, das sie füllen können.

Um einen elektrischen Strom zu erzeugen, müssen die Elektronen jedoch in dieselbe Richtung fließen. Dies wird durch zwei Arten von Silizium erreicht. Die Siliziumschicht, die der Sonne ausgesetzt ist, ist mit Phosphoratomen dotiert, die ein Elektron mehr haben als Silizium, während die andere Seite mit Boratomen dotiert ist, die ein Elektron weniger haben. Das so entstandene Sandwich funktioniert ähnlich wie eine Batterie: Die Schicht mit dem Elektronenüberschuss wird zum negativen Pol (n) und die Seite mit dem Elektronenmangel zum positiven Pol (p). An der Verbindungsstelle zwischen den beiden Schichten entsteht ein elektrisches Feld.

Wenn die Elektronen durch die Photonen angeregt werden, werden sie durch ein elektrisches Feld zur n-Seite getrieben, während die Löcher zur p-Seite driften. Die Elektronen und Löcher werden zu den auf beiden Seiten angebrachten elektrischen Kontakten geleitet, bevor sie in Form von elektrischer Energie in den externen Stromkreis fließen. Dadurch wird Gleichstrom erzeugt. Die Oberseite der Zelle ist mit einer Antireflexionsschicht versehen, um den Photonenverlust durch Oberflächenreflexion zu minimieren.

Wirkungsgrad von Photovoltaikzellen

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen der von der Zelle erzeugten elektrischen Leistung und der von ihr empfangenen Menge an Sonnenlicht. Um den Wirkungsgrad zu messen, werden die Zellen zu Modulen kombiniert, die wiederum zu Arrays zusammengesetzt werden. Die so entstandenen Paneele werden dann vor einem Sonnensimulator platziert, der ideale Sonnenlichtbedingungen imitiert: 1.000 Watt (W) Licht pro Kubikmeter bei einer Umgebungstemperatur von 25°C. Die von der Anlage erzeugte elektrische Leistung, die so genannte Spitzenleistung, ist ein Prozentsatz der eingehenden Sonnenenergie. Wenn ein Panel mit einer Fläche von einem Quadratmeter 200 W elektrische Leistung erzeugt, hat es einen Wirkungsgrad von 20 %. Der maximale theoretische Wirkungsgrad einer PV-Zelle liegt bei 33 %. Dies wird als Shockley-Queisser-Grenze bezeichnet.