Anwendungen des photovoltaischen Effekts<\/h3>\n
Der photovoltaische Effekt ist ein fotoelektrischer Prozess, der in einer Photovoltaikzelle eine Spannung oder einen elektrischen Strom erzeugt, wenn sie Sonnenlicht ausgesetzt ist. Bei einem photovoltaischen Ger\u00e4t werden Photonen in Elektrizit\u00e4t umgewandelt. Der Prozess beinhaltet die Erzeugung von Ladungstr\u00e4gern durch Photonabsorption, ihre Trennung und Transport sowie letztendlich ihre Sammlung an Elektroden.<\/p>\n
Photonenabsorption<\/h4>\n
Zun\u00e4chst treffen Photonen im Sonnenlicht auf das Solarpanel und werden von Halbleitermaterialien absorbiert. Ihre Energie wird an ein Elektron im Kristallgitter abgegeben. Ist die Energie h\u00f6her als die Bindungsenergie des Elektrons, wird das Elektron aus der Bindung in das Leitungsband befreit, wo es sich innerhalb des Halbleiters frei bewegen kann. Dies f\u00fchrt zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares.<\/p>\n
Ladungstr\u00e4gerseparation<\/h4>\n
Die am h\u00e4ufigsten bekannte Solarzelle ist als gro\u00dffl\u00e4chiger p-n-\u00dcbergang (Halbleiterstruktur mit eingebautem elektrischem Feld) aus Silizium konfiguriert. Zur Vereinfachung kann man sich vorstellen, dass eine Schicht aus n-Typ-Silizium in direkten Kontakt mit einer Schicht aus p-Typ-Silizium gebracht wird. Aufgrund der p-n-\u00dcbergangskonfiguration und der Materialien in Solarzellen d\u00fcrfen sich die Elektronen nur in eine Richtung bewegen. Die elektronische Struktur der Materialien ist sehr wichtig f\u00fcr den Prozess, und oft wird Silizium, das geringe Mengen Bor oder Phosphor enth\u00e4lt, in verschiedenen Schichten verwendet. Das Elektron wird durch dieses Feld in Richtung der n-Seite und das Loch in Richtung der p-Seite gedr\u00fcckt.<\/p>\n
Ladungssammlung und Rekombination<\/h4>\n
Elektronen, die auf der n-Typ-Seite erzeugt werden, „gesammelt“ durch den \u00dcbergang und auf die n-Typ-Seite geschleudert werden, k\u00f6nnen durch den Draht wandern, die Last antreiben und durch den Draht weiterlaufen, bis sie den p-Typ-Halbleiter-Metall-Kontakt erreichen. Hier rekombinieren sie mit einem Loch, das entweder als Elektron-Loch-Paar auf der p-Typ-Seite der Solarzelle erzeugt wurde oder ein Loch, das nach seiner Erzeugung auf der n-Typ-Seite \u00fcber den \u00dcbergang geschleudert wurde. Ein Array aus Solarzellen wandelt Sonnenenergie in eine nutzbare Menge Gleichstrom (DC) um. Die gemessene Spannung entspricht der Differenz der Quasi-Fermi-Niveaus der Mehrheitstr\u00e4ger (Elektronen im n-Typ-Teil und L\u00f6cher im p-Typ-Teil) an den beiden Anschl\u00fcssen.<\/p>\n
Photovoltaik in der Praxis<\/h3>\n
Photovoltaik findet heute vor allem in Form von Solarzellen Anwendung, bei denen Sonnenstrahlung als Energiequelle dient. Solarenergie ist mittlerweile eine der am meisten verf\u00fcgbaren Energiequellen auf dem Markt. Sie kann Strom an Orte liefern, an denen es keine Anbindung an das Stromnetz gibt. Erneuerbare Energiequellen werden immer beliebter, da die Kosten f\u00fcr PV-Module in den letzten 5 Jahren gesunken sind und sie im Vergleich zu anderen Energiequellen eine geringe Umweltbelastung aufweisen. Solarzellen bestehen aus Materialien, die als Halbleiter bezeichnet werden. Bei einer Halbleiter-p-n-(Diode)-Verbindungs-Solarzelle erzeugt das Beleuchten des Materials einen elektrischen Strom, da angeregte Elektronen und die verbleibenden L\u00f6cher durch das eingebaute elektrische Feld der Verarmungszone in verschiedene Richtungen geschleudert werden. Eine PV-Zelle erzeugt Gleichstrom (DC) aus diesen Halbleitern, wenn sie von Photonen bestrahlt wird. Eine typische einzelne Silizium-Solarzelle kann eine maximale Leerlaufspannung von etwa 0,5 bis 0,6 Volt erzeugen. Solarzellen werden normalerweise in Serie geschaltet, um eine additive Spannung zu erzeugen. Eine Parallelschaltung von Zellen ergibt einen h\u00f6heren Strom. Mehrere in einer Ebene ausgerichtete Solarzellen bilden ein Solar-Photovoltaik-Panel oder -Modul. Die typische Leerlaufspannung eines 300-Watt-Solarpanels sollte bei etwa 39 Volt und der Kurzschlussstrom bei 8,33 Ampere unter idealem Winkel und bei voller Sonneneinstrahlung liegen. Ihre Lebensdauer kann 20-30 Jahre erreichen.<\/p>\n
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