Photovoltaik oder Solarzelle
Definition
Eine Photovoltaikzelle (PV-Zelle) ist ein Halbleiterbauteil, das Licht in elektrische Energie umwandelt. Die von der PV-Zelle induzierte Spannung hängt von der Intensität des einfallenden Lichts ab. Der Begriff "photovoltaisch" stammt aus ihrer Fähigkeit, Spannung ("voltaic") durch Licht ("photo") zu erzeugen.
In Halbleitermaterialien sind Elektronen durch kovalente Bindungen gebunden. Elektromagnetische Strahlung besteht aus winzigen Energiepartikeln, die Photonen genannt werden. Wenn Photonen auf das Halbleitermaterial treffen, werden die Elektronen energiereich und beginnen, freigesetzt zu werden.
Diese energiereichen Elektronen werden als Photoelektronen bezeichnet, und das Phänomen der Elektronenemission wird als Photoeffekt bezeichnet. Das Funktionieren einer Photovoltaikzelle basiert auf dem Photoeffekt.
Aufbau der Photovoltaikzelle
Halbleitermaterialien wie Arsenid, Indium, Cadmium, Silizium, Selen und Gallium werden zur Herstellung von PV-Zellen verwendet. Hauptsächlich werden Silizium und Selen für den Bau der Zellen verwendet.
Nehmen wir zum Beispiel die Struktur einer Silizium-Photovoltaikzelle:
Einzige PV-Zellen werden entweder aus monokristallinen oder polykristallinen Halbleitermaterialien hergestellt.
Monokristalline Zellen werden aus einem einzigen Kristallingot geschnitten, während polykristalline Zellen aus Materialien mit mehreren Kristallstrukturen hergestellt werden.
Die Ausgangsspannung und -stromstärke einer einzelnen Zelle sind relativ gering, typischerweise etwa 0,6V und 0,8A. Um die Effizienz zu steigern, werden Zellen in verschiedenen Konfigurationen verbunden. Es gibt drei Hauptmethoden, um PV-Zellen zu verbinden:
Parallele Verbindung von PV-Zellen
Bei einer parallelen Verbindung bleibt die Spannung über den Zellen unverändert, während der Gesamtstrom verdoppelt wird (oder proportional zur Anzahl der Zellen zunimmt). Die Kennlinie parallel verbundener PV-Zellen ist unten dargestellt.
Seriell-parallele Verbindung von PV-Zellen
Bei einer seriell-parallelen Verbindung nehmen sowohl die Spannung als auch der Strom proportional zu. Solarmodule werden in der Regel mit dieser Kombination von Zellen konstruiert, um eine höhere Leistung zu erzielen.
Ein Solarmodul wird durch die Verbindung einzelner Solarzellen erstellt. Die Zusammenstellung mehrerer Solarmodule wird als Solarpanel bezeichnet.
Funktion der PV-Zelle
Wenn Licht auf ein Halbleitermaterial trifft, kann es entweder durchgehen oder reflektiert werden. PV-Zellen bestehen aus Halbleitern – Materialien, die weder perfekte Leiter noch Isolatoren sind. Diese Eigenschaft macht sie sehr effizient bei der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie.
Wenn der Halbleiter Licht absorbiert, beginnen seine Elektronen, freigesetzt zu werden. Dies geschieht, weil Licht aus winzigen Energiepaketen, sogenannten Photonen, besteht. Wenn Elektronen Photonen absorbieren, werden sie energiereich und beginnen, sich innerhalb des Materials zu bewegen. Ein internes elektrisches Feld zwingt diese Teilchen, in eine Richtung zu bewegen und einen Strom zu erzeugen. Metallische Elektroden auf dem Halbleiter ermöglichen es, dass der Strom fließen kann.
Die folgende Abbildung zeigt eine Silizium-PV-Zelle, die an einen ohmschen Lastwiderstand angeschlossen ist. Die Zelle besteht aus p-dotierten und n-dotierten Halbleiterschichten, die zu einer PN-Schicht verbunden sind.
Die Schicht ist die Schnittstelle zwischen den p-dotierten und n-dotierten Materialien. Wenn Licht auf die Schicht fällt, beginnen die Elektronen, von einer Region in die andere zu wandern.
Wie werden Solarzellen in einer Solarkraftwerksanlage installiert?
Geräte wie Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT), Wechselrichter, Laderegler und Batterien werden verwendet, um Sonnenstrahlung in elektrische Spannung umzuwandeln.
Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT)
Ein MPPT ist ein spezialisiertes digitales Steuergerät, das die Position der Sonne verfolgt. Da die Effizienz von PV-Zellen von der Lichtintensität abhängt, die sich im Laufe des Tages aufgrund der Erdrotation ändert, passen MPPTs die Ausrichtung der Panele an, um die Lichtabsorption und die Leistungserzeugung zu maximieren.
Laderegler
Ein Laderegler regelt die Spannung vom Solarmodul und verhindert Überladung oder Überspannung der Batterie, um eine sichere und effiziente Energiespeicherung sicherzustellen.
Wechselrichter
Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom (DC) von den Modulen in Wechselstrom (AC) für den Einsatz mit Standardgeräten um, die in der Regel AC-Strom benötigen.
