Solarzelle: Arbeitsprinzip und Aufbau (mit Diagrammen)

Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle (auch als Photovoltaische Zelle oder PV-Zelle bezeichnet) ist ein elektrisches Gerät, das Lichtenergie durch den photovoltaischen Effekt in elektrische Energie umwandelt. Im Grunde genommen ist eine Solarzelle eine p-n-Diode. Solarzellen sind eine Form der Photozelle, die als Gerät definiert wird, dessen elektrische Eigenschaften – wie Strom, Spannung oder Widerstand – sich bei Belichtung ändern.

Einzelne Solarzellen können zu Modulen kombiniert werden, die allgemein als Solarmodule bekannt sind. Die gängige einkristalline Silizium-Solarzelle kann eine maximale Leerlaufspannung von etwa 0,5 bis 0,6 Volt erzeugen. Alleine betrachtet ist dies nicht viel – aber es ist wichtig zu beachten, dass diese Solarzellen sehr klein sind. Wenn sie zu einem großen Solarmodul kombiniert werden, kann eine beträchtliche Menge an regenerativer Energie erzeugt werden.

Aufbau der Solarzelle

Im Grunde genommen ist eine Solarzelle eine p-n-Diode, obwohl ihr Aufbau etwas anders ist als der herkömmlicher p-n-Dioden. Eine sehr dünne Schicht p-leitfähigen Halbleiters wird auf einen relativ dickeren n-leitfähigen Halbleiter gewachsen. Anschließend werden einige feine Elektroden auf der Oberfläche der p-leitfähigen Schicht angebracht.

Diese Elektroden behindern das Licht nicht, die dünne p-leitfähige Schicht zu erreichen. Direkt unter der p-leitfähigen Schicht befindet sich eine p-n-Übergangsschicht. Wir stellen auch eine Stromsammel-Elektrode am Boden der n-leitfähigen Schicht zur Verfügung. Die gesamte Anordnung wird mit dünnem Glas ummantelt, um die Solarzelle vor mechanischen Stößen zu schützen.

Funktionsprinzip der Solarzelle

Wenn Licht die p-n-Übergangsschicht erreicht, können die Lichtphotonen leicht in die Übergangsschicht eindringen, durch die sehr dünne p-leitfähige Schicht. Die Lichtenergie in Form von Photonen liefert der Übergangsschicht ausreichend Energie, um eine Anzahl von Elektron-Loch-Paaren zu erzeugen. Das einfallende Licht stört die thermodynamische Gleichgewichtszustand der Übergangsschicht. Die freien Elektronen in der Depletionsschicht können schnell zur n-leitfähigen Seite der Übergangsschicht gelangen.

Ähnlich können die Löcher in der Depletionsschicht schnell zur p-leitfähigen Seite der Übergangsschicht gelangen. Sobald die neu erzeugten freien Elektronen die n-leitfähige Seite erreichen, können sie die Übergangsschicht aufgrund des Barrierenpotentials der Übergangsschicht nicht weiter überqueren.

Ähnlich können die neu erzeugten Löcher, sobald sie die p-leitfähige Seite erreichen, die Übergangsschicht aufgrund des gleichen Barrierenpotentials der Übergangsschicht nicht weiter überqueren. Da die Konzentration der Elektronen auf einer Seite, also der n-leitfähigen Seite der Übergangsschicht, und die Konzentration der Löcher auf der anderen Seite, also der p-leitfähigen Seite der Übergangsschicht, höher wird, verhält sich die p-n-Übergangsschicht wie eine kleine Batterie. Es wird eine Spannung aufgebaut, die als Fotovolt bezeichnet wird. Wenn wir eine kleine Last über die Übergangsschicht verbinden, fließt ein kleiner Strom durch sie.

V-I-Kennlinie einer Photovoltaikzelle

Materialien für Solarzellen

Die Materialien, die für diesen Zweck verwendet werden, müssen einen Bandabstand von ca. 1,5 eV haben. Häufig verwendete Materialien sind:

1. Silizium.

2. GaAs.

3. CdTe.

4. CuInSe2

Kriterien für Materialien in Solarzellen

1. Muss einen Bandabstand von 1 eV bis 1,8 eV haben.

2. Es muss eine hohe optische Absorption aufweisen.

3. Es muss eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

4. Das Rohmaterial muss in großer Menge verfügbar sein und der Kosten des Materials muss gering sein.

Vorteile der Solarzelle

1. Keine Verschmutzung damit verbunden.

2. Sie muss lange halten.

3. Keine Wartungskosten.

Nachteile der Solarzelle

1. Hohes Installationskosten.

2. Niedrige Effizienz.

3. An bewöl