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Photovoltaik Grundlagen Teil 1

Photovoltaik

Photovoltaik - Entdeckung und Funktionsweise

In meinem ersten Beitrag zu dem Thema Photovoltaik möchte ich zunächst einmal einen Überblick zu den Grundlagen schaffen. Die Funktionsweise ist im Grunde nicht sehr kompliziert und basiert auf dem Phänomen des Photoeffekts, welches um 1839 von Alexander Edmond Bequerel entdeckt wurde.

Photovoltaik
Photovoltaikmodul

Inhalt

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Der Photoeffekt

Der Begriff beschreibt einen Vorgang bei den Elektronen aus einer Halbleiter- oder Metalloberfläche durch den Einsatz von Strahlung herausgelöst werden. Dabei handelt es sich um die Variante des äußeren photoelektrischen Effektes. Dieser Effekt wurde dann in den kommenden Jahrzehnten von verschiedenen Wissenschaftlern, unter anderem von Albert Einstein, erforscht und konnte nach einigen Versuchsreihen genauer bestimmt werden.

Eine weitere Variante ist der innere photoelektrische Effekt. Anders als beim äußeren photoelektrischen Effekt werden die Elektronen durch den Einsatz von Strahlung nicht aus dem Material herausgelöst, sondern in die nächste Ebene, dem sog. Leitungsband geschoben. Dabei hinterlassen sie Elektronenlöcher oder Defektelektronen. Die Größe der Lücke zwischen den beiden Ebenen, die Bandlücke, ist dabei ausschlaggebend für die Größe der aufgewendeten Energie um von einer Ebene zur anderen zu gelangen. Die Größe variiert dabei und ist abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial.

Für den Betrieb heutiger Photovoltaikanlagen ist die Entdeckung des inneren photoelektrischen Effekts ausschlaggebend. Nach weiterer Erforschung und Entwicklung konnte der photovoltaische Effekt entdeckt werden, der auf dem Prinzip des inneren photoelektrischen Effektes basiert.

Durch Zufall wurde durch Russell S. Ohl 1940 festgestellt, dass bei der Beleuchtung von Silizium ein Strom erzeugt werden konnte. Durch weitere Forschung konnte diese Entdeckung bestätigt werden. Später fand man sogar raus, dass durch gezielte Dotierung der Halbleiter die elektrischen Eigenschaften verändert werden konnten und ein p-n-Übergang geschafft werden konnte. Die Grundlage für heutige Photovoltaikanlagen war damit gegeben. Und im Großen und Ganzen funktionieren heutige PV-Module nach diesem Prinzip.

Aufbau einer Photovoltaik-Zelle

Eine Photovoltaikzelle besteht aus zwei Halbleiterplatten, z.B. Silizium. Dabei werden diese Platten durch die oben bereits erwähnte Dotierung verändert. Die eine Platte wird mit einer n-dotierten Halbleiterschicht, die negativ geladen ist, und die andere mit einer p-dotierten Halbleiterschicht, die positiv geladen ist, angereichert.

Diese Dotierung wird durch den Zusatz von z.B. Bor-Atomen in der p-dotierten Halbleiterschicht und Phosphor-Atomen in der n-dotierten Halbleiterschicht erreicht. Da Bor weniger Elektronen auf der atomaren Außenhülle besitzt als Silizium wird die Schicht durch den Zusatz von Bor positiv dotiert und weißt daher mehr Elektronenlöcher auf. Durch den Zusatz von Phosphor wird die Schicht negativ dotiert da Phosphor mehr Elektronen auf der atomaren Außenhülle besitz als Silizium.

Rechts: n-dotiert mit Phosphor-Atmon, Rot makiert ist das zusätzliche Elektron in der Verkettung; links: p-dotiert, Rot makiert ist der Bereich in dem ein Elektron fehlt

Durch den Verbund der beiden dotierten Platten an den Flächen entsteht ein Bereich der als dritte Schicht interpretiert werden könnte, der p-n-Übergang. Durch die unterschiedliche Ladung der beiden Halbleiterschichten entsteht an den Kontaktflächen im p-n-Übergang ein elektrisches Feld, die sogenannte Raumladungszone. Der p-n-Übergang an sich ist neutral, da sich die Elektronenlöcher der p-dotierten Schicht und die Elektronen der n-dotierten Schicht innerhalb des p-n-Übergangs verbinden.

Wird dieser Plattenverbund nun mit genügend Lichtenergie bestrahlt, werden die Photonen in der Strahlung absorbiert und lösen die Elektronen im p-n-Übergang wieder aus ihrer Verbindung. Diese driften durch den Einfluss des elektrischen Feldes der Raumladungszone von den Kontaktflächen des p-n-Übergangs in die nächste Ebene, die n-dotierte Schicht der beiden Halbleiterplatten. Die dabei entstandenen Elektronenlöcher oder Defektelektronen driften in die Ebene darunter, die p-dotierte Schicht der beiden Halbleiterplatten. Somit entsteht auf der n-dotierten Seite ein Elektronenüberschuss, der –Pol. Und auf der p-dotierten Seite eine Elektronenmangel, der + Pol.

Spannungen entstehen

Ab jetzt ist es bereits möglich eine Spannung zwischen der n-dotierten und p-dotierten Schicht zu messen. Dabei kommt folgendes Grundprinzip zur Entstehung und Bemessung von Spannung zum Tragen:

U = Spannung; W = Arbeit in Wattsekunde; Q = Ladung in Coulomb
Sinnbild Ladungstrennung

Die Größe der Spannung ist abhängig von der zur Trennung und Verschiebung verrichteten Arbeit je Ladung. Je stärker die Kraft und größer der Weg ist, die Landugen zu verschieben, umso höher ist die Spannung. Das liegt daran das unterschiedliche Ladung sich anziehen und daher diese Anziehungskraft der Kraft des Auseinanderziehens entgegenwirkt. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Halbleitermaterials liegt bei Photovoltaikzellen die somit entstandene Spannung zwischen 0,5 – 0,6 Volt.

Die Ladungsunterschiede sind nun auf die Außenseiten der Halbleiterplatten gedriftet und dieser Zustand hält an, solange genügend Lichtenergie vorhanden ist um weitere Elektronenverbindungen im p-n-Übergang zu trennen und die entstandene Spannung aufrecht zu erhalten. Spannung wird deswegen auch als die Fähigkeit beschrieben, Ladungen zu verschieben.

Stromfluss ermöglichen

Die Elektronen wollen wieder zurück an ihren Platz bzw. sich mit den offenen Stellen im p-dotierten Teil verbinden. Da die Elektronen innerhalb der Spannungsquelle diesem Bestreben des Zusammenkommens nicht nachgehen können, müssen sie einen anderen Weg finden.

Dies wird durch die Anschlüsse an den Außenseiten unseres Halbleiterelements ermöglicht. Wie bereits erwähnt ist zu dem Zeitpunkt der Trennung der Ladungen eine Polarität an den Anschlüssen vorhanden. Da der Elektronenüberschuss und der Elektronenmangel räumlich fixiert ist und keine Änderung der Polarität zu verzeichnen ist, handelt es sich bei der vorhandenen Spannung um eine Gleichspannung. Somit sind alle Voraussetzungen erfüllt um einen Verbraucher anzuschließen und einen Stromfluss zu ermöglichen.

Schließt man nun den Stromkreis und schaltet in Reihe dazu einen Verbraucher, können die Elektronen je nach Größe des angeschlossenen Widerstands den Stromkreis durchfließen um zu den Elektronenlöchern zu gelangen und diese zu schließen.

Sinnbild Stromfluss

Dabei sei noch gesagt, dass ein Elektron das sich am – Pol (physikalische Stromrichtung) auf den Weg macht, nicht eins zu eins am + Pol ankommt und sich mit der offenen Stelle vereint die vorher zu ihm gehört hat. Dies hat mit dem Austausch von Elektronen der im Leiter befindlichen Kupferatome zu tun. Dazu werde ich aber nochmal ein eigenes Thema erstellen.

Abschluss Teil 1

Die grundlegende Funktion einer Solarzelle ist damit auch schon erklärt. Es gibt je nach Material und Aufbau Unterschiede in der Größe der Spannung und des maximal fließenden Stroms pro Zelle oder Modul. Wie so ein Aufbau aussieht und welche Möglichkeiten sich daraus für den weiteren Betrieb ergeben, werde ich in dem nächsten Artikel zum Thema Photovoltaik-Grundlagen behandeln.

An dieser Stelle vielen Dank, dass du dir meinen ersten Beitrag angesehen hast.

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