Wie funktioniert Photovoltaik?

Was ist Photovoltaik?

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

Der photoelektrische Effekt wurde erstmals 1839 von einem französischen Physiker, Edmund Bequerel, festgestellt, der feststellte, dass bestimmte Materialien kleine Mengen elektrischen Stroms erzeugen, wenn sie Licht ausgesetzt werden. 1905 beschrieb Albert Einstein die Natur des Lichts und den photoelektrischen Effekt, auf dem die Photovoltaik-Technologie basiert, wofür er später einen Nobelpreis für Physik erhielt. Das erste Photovoltaikmodul wurde 1954 von Bell Laboratories gebaut. Es wurde als Solarbatterie in Rechnung gestellt 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 zum ersten Mal ernsthaft zu nutzen, um Raumfahrzeuge mit Strom zu versorgen. Durch die Weltraumprogramme wurde die Technologie weiterentwickelt, ihre Zuverlässigkeit wurde etabliert und die Kosten begannen zu sinken. Während der Energiekrise in den 1970er Jahren erlangte die Photovoltaiktechnologie Anerkennung als Energiequelle für Anwendungen außerhalb des Weltraums.
Das obige Diagramm veranschaulicht den Betrieb einer einfachen Photovoltaikzelle, auch Solarzelle genannt. Solarzellen werden aus den gleichen Arten von Halbleitermaterialien wie Silizium hergestellt, die in der Mikroelektronikindustrie verwendet werden. Für Solarzellen wird ein dünner Halbleiterwafer speziell behandelt, um ein elektrisches Feld zu bilden, das auf der einen Seite positiv und auf der anderen Seite negativ ist. Trifft Lichtenergie auf die Solarzelle, werden Elektronen aus den Atomen im Halbleitermaterial herausgeschlagen. Werden an den positiven und negativen Seiten elektrische Leiter angebracht, die einen Stromkreis bilden, können die Elektronen in Form von elektrischem Strom – also Elektrizität – eingefangen werden. Dieser Strom kann dann verwendet werden, um eine Last wie eine Lampe oder ein Werkzeug anzutreiben.

Eine Anzahl von Solarzellen, die elektrisch miteinander verbunden und in einer Stützstruktur oder einem Rahmen montiert sind, wird als Photovoltaikmodul bezeichnet. Module sind so konzipiert, dass sie Strom mit einer bestimmten Spannung liefern, beispielsweise einem üblichen 12-Volt-System. Der erzeugte Strom ist direkt davon abhängig, wie viel Licht auf das Modul trifft.
Mehrere Module können zu einem Array verdrahtet werden. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Fläche eines Moduls oder Arrays, desto mehr Strom wird produziert. Photovoltaik-Module und -Arrays erzeugen Gleichstrom (DC). Sie können sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden, um jede erforderliche Spannungs- und Stromkombination zu erzeugen.
Die heute gebräuchlichsten PV-Geräte verwenden einen einzelnen Übergang oder eine Schnittstelle, um ein elektrisches Feld innerhalb eines Halbleiters wie einer PV-Zelle zu erzeugen. In einer Single-Junction-PV-Zelle können nur Photonen, deren Energie gleich oder größer als die Bandlücke des Zellmaterials ist, ein Elektron für einen Stromkreis freisetzen. Mit anderen Worten, die photovoltaische Reaktion von Single-Junction-Zellen ist auf den Teil des Sonnenspektrums beschränkt, dessen Energie über der Bandlücke des absorbierenden Materials liegt, und Photonen mit niedrigerer Energie werden nicht verwendet.

Eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu umgehen, besteht darin, zwei (oder mehr) verschiedene Zellen mit mehr als einer Bandlücke und mehr als einem Übergang zu verwenden, um eine Spannung zu erzeugen. Diese werden als „Multijunction“-Zellen (auch „Kaskaden“- oder „Tandem“-Zellen genannt) bezeichnet. Multijunction-Bauelemente können eine höhere Gesamtumwandlungseffizienz erreichen, da sie einen größeren Teil des Energiespektrums von Licht in Elektrizität umwandeln können.

Wie unten gezeigt, ist ein Multijunction-Bauelement ein Stapel einzelner Single-Junction-Zellen in absteigender Reihenfolge der Bandlücke (Eg). Die obere Zelle fängt die hochenergetischen Photonen ein und leitet den Rest der Photonen weiter, damit sie von Zellen mit niedrigerer Bandlücke absorbiert werden.