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Solarzellen, auch bekannt als photovoltaische Zellen, haben die Fähigkeit, einfallendes Sonnenlicht in Strom umzuwandeln.
Wie funktioniert eine Solarzelle? Was ist ein photovoltaischer Prozess?
Solarzellen sind die grundlegenden Komponenten von Photovoltaik-Modulen, die die Sonnenstrahlen in elektrische Energie umwandeln. Dies ist auf den photovoltaischen Prozess zurückzuführen. In der ersten Phase findet die Lichtabsorption statt. Photonen, die auf die Oberfläche der Solarzelle treffen, werden eingefangen. Jedes Photon enthält eine bestimmte Menge an Energie. Der Prozess der Absorption von Photonen wird durch ein Halbleitermaterial (normalerweise Silizium) ermöglicht.
In den folgenden Schritten werden so genannte Elektronen-Loch-Paare erzeugt und die Trennung der Elektronen-Loch-Paare findet statt. In der nächsten Phase fließt der Strom. Die Elektronen werden von der n-Seite der Zelle angezogen, während die Löcher beginnen, sich zur p-Seite der Zelle zu bewegen.
Da sich die Löcher in die den Elektronen entgegengesetzte Richtung bewegen, wird ein Stromfluss erzeugt. Die vorletzte Stufe ist die Gewinnung von elektrischem Strom, d.h. der Fluss von Elektronen durch einen externen Stromkreis, z.B. direkt in eine Batterie. Während des Flusses durch den externen Stromkreis findet die endgültige Rekombination mit den Löchern im Halbleitermaterial statt.
Aufbau der Solarzelle
Jede photovoltaische Zelle besteht aus mehreren Komponenten mit unterschiedlichen Funktionen. Die Halbleiterschicht ist einer der wichtigsten Bestandteile einer Solarzelle. Dieses Teil besteht größtenteils aus Silizium. Je nach dem spezifischen Zellmodell kann das Silizium polykristallin, monokristallin oder amorph sein. Die nächsten Komponenten sind die leitenden Elektroden, d.h. dünne Metallschichten (z.B. Silber), die sich sowohl auf dem Boden als auch auf der Oberseite der Zelle befinden. Die beiden Hauptaufgaben von leitfähigen Elektroden sind das Sammeln und Übertragen von elektrischem Strom.
Der nächste Teil der Solarzelle ist die Antireflexionsschicht (normalerweise aus Siliziumoxid). Diese Komponente wird oben auf der Zelle angebracht und ist dafür verantwortlich, die Reflexion des Sonnenlichts zu verringern und so die Leistung des Photovoltaikmoduls zu verbessern. Zum Schutz der Solarzelle verwenden die Hersteller Schutzglas und Rahmen. Ein auf diese Weise geschütztes Photovoltaikmodul ist resistent gegen äußere Einflüsse wie Schnee, Regen und Staub.
Was ist der Unterschied zwischen polykristallinen und monokristallinen Zellen?
Die poly- und monokristalline Zelle hat eine identische Funktion in der gesamten Photovoltaikanlage. In beiden Fällen wird Silizium in kristalliner Form für die Produktion verwendet. Der wichtigste Unterschied zwischen polykristallinen und monokristallinen Zellen ist die so genannte kristalline Reinheit. Bei monokristallinen Panels haben wir es mit einem einzigen Stück Siliziumkristall zu tun. Polykristalline Zellen hingegen verwenden mehrere Siliziumfragmente, die miteinander verbunden sind. Das bedeutet, dass die Reinheit bei polykristallinen Panels geringer ist als bei monokristallinen Panels.
Ein weiterer Unterschied ist die Effizienz, d.h. die Fähigkeit, eine bestimmte Menge an Sonnenenergie in Strom umzuwandeln. Der Wirkungsgrad von monokristallinen Panels liegt je nach Hersteller zwischen 16% und 25%. Im Gegensatz dazu liegt der Wirkungsgrad von polykristallinen Panels zwischen 14% und 19%. In der Praxis bedeutet dies, dass die gleiche Fläche monokristalliner Panels unter den gleichen Betriebsbedingungen mehr Energie erzeugt als die Fläche polykristalliner Panels.
Weitere Unterschiede
Monokristalline Solarmodule in privaten und gewerblichen Anlagen haben noch einen weiteren wichtigen Vorteil. Im Vergleich zu polykristallinen Modellen beginnt die Energieproduktion früher und endet später (im Tageszyklus). Es gibt auch Unterschiede in der Leistung der Zellen bei hohen Temperaturen. Polykristalline Zellen zeigen bei hohen Temperaturen einen geringeren Wirkungsgrad als monokristalline Modelle. Die Kosten für die Herstellung einer Zelle, die aus einem einzigen Stück Siliziumkristall besteht, sind höher als die für die Herstellung von Panels aus mehreren miteinander verbundenen Siliziumkristallen. Die Unterschiede erstrecken sich auch auf das Aussehen der Photovoltaik-Module. Monokristalline Modelle zeichnen sich durch ihre einheitlich schwarze Oberfläche aus. Monokristalline Versionen hingegen können einen blauen Farbton und eine gleichmäßige Oberfläche aufweisen, was auf den unterschiedlichen Reflexionswinkel der einzelnen Siliziumkristalle zurückzuführen ist.
Es ist auch erwähnenswert, dass beide Arten der Panels eine ähnliche Lebensdauer von etwa 30 Jahren haben. Die Leistung dürfte sich in diesem Zeitraum nicht wesentlich ändern. Es wird geschätzt, dass etwa 98% aller Photovoltaikanlagen in Europa polykristalline Zellen verwenden, um Strom aus der Sonne einzufangen und zu produzieren.
Solarzellen mit geringer Leistung
Solarpanels mit geringer Leistung bieten eine alternative Energiequelle, zum Beispiel für Heimwerkerprojekte. Sie sind ideal für den Bau von Geräten, die jahrelang ohne Netzstrom laufen können. Low-Power-Solarzellen sind kleine Geräte mit einer Größe von wenigen bis 30 cm. Die einzelnen Modelle unterscheiden sich nicht nur in ihrer Leistungsabgabe, sondern auch in der erzeugten Nennspannung und damit in ihrer Anwendung.
Ausgewählte Low-Power-Solarzellen sind ab Werk mit Lötpads zum Anlöten der Leitungen ausgestattet. Andere Modelle hingegen verfügen bereits über ein Kabel, das z.B. in einem USB Typ A-Anschluss endet. Besonders erwähnenswert sind die flexiblen Photovoltaik-Paneele, die zum Beispiel auf leicht gewölbten Oberflächen erfolgreich angebracht werden können.
Vorgefertigte Photovoltaik-Module mit geringem Stromverbrauch
Auch fertige Photovoltaikmodule sind auf dem Markt zu finden. Ein gutes Beispiel dafür sind kompakte Module, die eine Lithium-Polymer-Zelle mit Hilfe von Sonneneinstrahlung aufladen. Das Solarmodul selbst ist vor dem Wetter geschützt. Darüber hinaus ist das Modul mit den notwendigen Sicherheitsfunktionen ausgestattet (einschließlich eines integrierten Solarreglers).
