Photovoltaik wandelt Photonen in Elektronen um
Die cphotovoltaische ellulesoder kurz PV, sind magische Objekte, die Lichtenergie, meist von der Sonne, in elektrische Energie umwandeln. Solarzellen werden aus Halbleitermaterialien wie Silizium (Si) hergestellt, dem nach Sauerstoff zweithäufigsten Material der Welt. Sie werden verwendet, um Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln, da die Photovoltaik Photonen in Elektronen umwandelt.
Dieser Umwandlungsprozess, so effizient er auch sein mag, erzeugt keine schädlichen Abfälle oder Emissionen in die Umwelt, was ihn zu einer sauberen, grünen und effizienten Energiequelle macht. Zweitens ist eine Photovoltaikzelle, auch "Solarzelle" genannt, ein Halbleiterbauteil, das Gleichstrom erzeugt, wenn Licht auf sie fällt.
Bei der Photovoltaik werden Photonen durch den sogenannten "photovoltaischen" Effekt in Elektronen umgewandelt (Photo bedeutet Licht, Voltaik bedeutet Elektrizität). Beim photovoltaischen Effekt treffen die Photonenstrahlen des Sonnenlichts auf die Oberfläche des Silizium-Halbleitermaterials und setzen dabei freie Elektronen aus den Atomen des Materials frei. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Materialien, aus denen eine Solarzelle hergestellt werden kann, und alle wandeln die Sonnenstrahlung in Gleichstrom (DC) um.
Die photovoltaische Solarzelle wird in der Regel aus modifizierten Siliziumkristallen wie bspw. Silizium cristallin und amorphen oder anderen Halbleitermaterialien hergestellt, die das Sonnenlicht absorbieren und in Elektrizität umwandeln.
Bestimmte "dotierende" Chemikalien werden der Siliziumzusammensetzung zugesetzt, um dabei zu helfen, einen Weg für den Durchgang der freigesetzten Elektronen zu etablieren. Dadurch entsteht ein Elektronenfluss, der als Gleichstrom bezeichnet wird.
Halbleiter sind nichtmetallische Materialien wie Germanium und Silizium, deren Solarzelleneigenschaften irgendwo zwischen denen eines Leiters, der dem Durchgang von elektrischem Strom nur einen sehr geringen Widerstand entgegensetzt, und eines Isolators, der den Durchgang von elektrischem Strom fast vollständig blockiert, liegen. Daher der Begriff "Halbleiter".
Das Material auf Siliziumbasis wird als Halbleiter bezeichnet, da das Bauelement die Elektronen nur in eine Richtung leitet, von negativ nach positiv.
Kristallines Silizium war in den letzten Jahrzehnten das wichtigste Material zur Herstellung von photovoltaischen Solarzellen, wobei polykristallines und amorphes Silizium den Weg ebneten. Das in jüngster Zeit gestiegene Interesse an Solarenergie für den Hausgebrauch und an Solarzellen hat die Dünnschicht-Solartechnologie erheblich vorangebracht, wobei Cadmiumtellurid und Kupferindiumsulfid nun in Anwendungen für erneuerbare Energien im Hausgebrauch eingesetzt werden.
Photovoltaikzellen bestehen im Wesentlichen aus einer Verbindung zwischen zwei dünnen Schichten aus ungleichen Halbleitermaterialien. Eine Siliziumschicht wird mit einer Substanz behandelt, um einen Überschuss an Elektronen zu erzeugen. Dies wird zur negativen oder N-Typ-Halbleiterschicht. Die andere Schicht wird behandelt, um einen Elektronenmangel zu erzeugen, und wird zur positiven Halbleiterschicht oder zum "P"-Typ.
N-Typ-Halbleiter werden aus kristallinem Silizium hergestellt, das mit winzigen Mengen eines Unreinheitsatoms (meist Phosphor) "dotiert" wurde, so dass das dotierte Material einen Überschuss an freien Elektronen besitzt, daher der Begriff Negativtyp-Halbleiter. P-Typ-Halbleiter werden ebenfalls aus kristallinem Silizium hergestellt, sind aber mit sehr kleinen Mengen eines anderen Verunreinigungsatoms (meist Bor) dotiert, so dass das Material einen Mangel an freien Elektronen aufweist.
Diese "fehlenden" Elektronen im Halbleitergitter werden liebevoll als "Löcher" bezeichnet, und da das Fehlen eines negativ geladenen Elektrons als Äquivalent zu einem positiv geladenen Teilchen angesehen werden kann, ist auf diese Weise dotiertes Silizium als Halbleiter vom positiven Typ bekannt.
Wenn diese ungleichen Halbleitermaterialien mit Leitern zusammengefügt werden, wird die Anordnung zu einem lichtempfindlichen PN-Übergangshalbleiter, der im Bereich des Übergangs ein elektrisches Feld aufbaut und den wir gemeinhin als photovoltaische Solarzelle bezeichnen. Wenn also ähnliche Solarzellen oder PV-Zellen in Solarmodulen kombiniert werden, ergibt sich eine viel höhere Kapazität zur Stromerzeugung.
Wie wandelt eine Solarzelle Photonen in Elektronen um?
Das als Brennstoff fungierende Sonnenlicht transportiert Energie in die Photovoltaikzelle. Wenn ein Photonenteilchen des Sonnenlichts auf die Oberfläche der Siliziumsolarzelle oder der dotierten Strukturen aus Silizium-Phosphor oder Silizium-Bor trifft, lösen sich die Photonen des absorbierten Sonnenlichts und verdrängen die Elektronen aus den Siliziumatomen der energieübertragenden Zelle und regen sie an. Diese Anregung der Elektronen bewirkt, dass sie sich von ihrem Elternatom lösen und sich auf ein Valenzniveau höherem Niveau. Da jede Sekunde Milliarden von Photonen auf die Zelle treffen, werden viele Elektronen freigesetzt.
Schließlich wird das angeregte Elektron aus dem Atom herausgetrieben, sodass es sich frei um das Halbleitermaterial bewegen kann. Da eine Seite des PN-Übergangs einen "Elektronenmangel" (Löcher) hat, während die andere Seite des Übergangs einen "Elektronenüberschuss" hat, bewegen sich diese freien Elektronen durch den Übergang, wodurch Löcher in der Zelle entstehen und gefüllt werden. Es ist diese Bewegung von Elektronen und Löchern, die Elektrizität erzeugt, und solange Licht auf die Zelle trifft, werden auch Elektronen aus der Zelle austreten. Der physikalische Prozess, durch den eine PV-Zelle Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt, wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet.
Die durch die Wechselwirkung von Sonnenlicht mit dem Halbleitermaterial freigesetzten Elektronen erzeugen einen Elektronenfluss, wenn sich die freien Elektronen gemeinsam um einen äußeren Stromkreis bewegen. Zur Erzeugung von elektrischer Energie werden sowohl Spannung als auch Strom benötigt. Um also Energie zu erzeugen, muss die PV-Zelle sowohl eine Spannung als auch den vom Elektronenfluss gelieferten Strom erzeugen.
Die Zellspannung wird durch das interne elektrische Feld geliefert, das durch den PN-Übergang erzeugt wird, der als kleine Batterie betrachtet werden kann, die eine feste Ausgangsspannung von etwa 0,5 bis 0,6 Volt erzeugt.
Eine einzelne Silizium-PV-Zelle erzeugt in der Regel einen elektrischen Strom von etwa 3 Ampere, wobei eine einzelne PV-Solarzelle bis zu 1,5 Watt Leistung erzeugt. Je nach den verwendeten Halbleitermaterialien können einige PV-Zellen mehr und andere weniger Leistung erzeugen. So haben 36 Zellen, die in Reihe miteinander verbunden sind, genug Spannung und Leistung, um 12-Volt-Batterien aufzuladen oder Pumpen und Motoren anzutreiben.
Sonnenlicht ist sauber, leicht zu nutzen und weltweit verfügbar, und da es von der Sonne kommt, wird es auch in den nächsten Millionen Jahren frei verfügbar sein. Sonnenenergie ist sauber, grün und effizient und mit den heutigen effizienten Solarmodulen oder den auf dem Markt leicht erhältlichen Solarzellen können Hausbesitzer über viele Jahre hinweg kostenlose und saubere Energie haben, wobei die einzigen Kosten die Kosten für ein Solarmodul selbst sind.
Solarzellen wandeln eine Art von Energie (Sonnenlicht) in eine andere um (Elektronenfluss).
Die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität ist auch sehr umweltfreundlich, da sie weder Umweltverschmutzung noch Abfall produziert und somit ideal für eine grünere Zukunft ist.
Photovoltaik ist sehr modular: Sie können ein PV-System so klein oder so groß installieren, wie Sie möchten. Die einfachsten PV-Zellen versorgen Uhren und Taschenrechner mit Strom, während komplexere und größere Solarmodule und -paneele für Häuser beleuchten und ins Stromnetz einspeisen.
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