Sonnenenergie: Silizium-Solarzellen Understand article

Übersetzt von Hildegard Kienzle-Pfeilsticker. Silizium-Solarzellen sind eine alternative Energiequelle zu den schwindenden Ölreserven. Wie funktionieren sie und wie können wir ihr Potenzial voll nutzen?

Auf 57 Hektar Fläche
ungenutzten Landes des
Luftwaffenstützpunktes
Nellis, Nevada, USA, wird
diese Solaranlage 15 MW
Solarenergie für den
Stützpunkt erzeugen

Mit freundlicher Genehmigung
von US Air Force photo /
Airman 1st Class Nadine Y
Barclay; Bildquelle: Wikimedia
Commons

Indirekt ist die Sonne die Quelle der meisten von uns auf der Erde genutzten Energie: dazu gehören nicht nur fossile Brennstoffe und Biomasse, sondern auch Windenergie und Energie aus Gezeitenkraftwerken, um nur ein paar Beispiele zu nennen. Zunehmendes Interesse gilt der direkten Gewinnung der Sonnenenergie durch Photovoltaik.

Die Sonne, ein relativ alter Stern mittlerer Größe aus heißem Plasma, strahlt ein weites Spektrum an Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung aus. In einer Entfernung von 150 Millionen Kilometern erreicht unseren Planeten eine Strahlungsstärke der Sonne von etwa 1366 W/m2 (1 W= 1 J·s). Aber nicht alles erreicht uns, weil die Erdatmosphäre etwa 30% dieser Energie reflektiert und absorbiert. Dennoch treffen von der Sonne auf jeden Quadratmeter der Erdoberfläche im Mittel 1000 Joule pro Sekunde.

Zur besseren Einordnung: Die global verbrauchte Energie im Jahr 2010 lag bei 5 x 1020 J. Nehmen wir an, unser Planet wäre ein perfekter Globus mit einem Radius von 6370 km, dann erreichen die Erde 1.8 x 1017 J/s, von denen etwa 1.3 x 1017J/s bis zur Erdoberfläche gelangen. Daher liefert die Sonne in einer Stunde der Erde die Energie, die wir in einem Jahr brauchen.

Natürlich ist es nicht so einfach. Aufgrund meteorologischer Faktoren, der Sonnendeklination und der Erdrotation liegt die Einstrahlung tatsächlich eher bei 230 W/m2. Wiederholen wir die vorige Rechnung mit diesen Werten, dann ergeben sich zur Versorgung der Erde mit Sonnenenergie für ein Jahr etwa fünfeinhalb Stunden. Das ist immer noch eine beeindruckend kurze Zeit.

Sonnenstrahlung ist daher eine vielversprechende Energiequelle. Aber wie können wir sie einfangen und nutzen?

Was passiert in einer Photovoltaikzelle?

Die Fundamente moderner Solarenergie wurden 1839 gelegt, als der französische Physiker Edmond Becquerel einen Anstieg der Leitfähigkeit mancher Materialien beobachtete, wenn sie dem Licht ausgesetzt waren; dies wurde als der photovoltaische Effekt bezeichnet. Allerdings konnte das Phänomen erst mit der Entwicklung der Quantenmechanik erklärt werden. Elektromagnetische Strahlung kann als ein Strom von Quantenobjekten namens Photonen beschrieben werden. Die Absorption dieser Photonen durch manche Materialien kann Elektronen im Material in einen höheren Energiezustand befördern (das Leitungsband) und möglicherweise dessen Leitfähigkeit verstärken.

Halbleiter, wie Silikon, verhalten sich photovoltaisch, weil die Energie eines Photons ausreicht, um ein Elektron des Halbleiters in das Leitungsband zu heben. Halbleiter haben aber wenig freie Elektronen und leiten daher schlecht. Um ihre elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, kann man winzige Mengen anderer Materialien (Verunreinigungen) zugeben. Diesen Prozess nennt man Dotierung

Dotiertes Silikon ist das in der Elektronik am meisten genutzte Material. Reines Silikon hat vier Valenzelektronen, die es mit vier Nachbaratomen teilt. Gibt man Verunreinigungen mit mehr oder weniger Valenzelektronen zu (wie Phosphor oder Bor), ändern sich die Leitungseigenschaften des Materials. Phosphor hat fünf Valenzelektronen und das fünfte Elektron wird, wenn es von Silikonatomen umgeben ist, nur locker gebunden. Das bedeutet, dass es leicht das Leitungsband erreichen kann und die Leitfähigkeit des Materials unterstützt. Phosphor-dotiertes Silikon wird n-Typ (Negativ-Typ) genannt, da die Dotierung die Zahl freier negativer Ladungen (Elektronen) erhöht. Dagegen hat Bor nur drei Valenzelektronen und das Fehlen eines Elektrons im Siliziumgitter verursacht ein „Loch“. Wenn sich freie Elektronen von einem Loch zum nächsten durch das Gitter bewegen, scheinen sich die positiv geladenen Löcher durch das material zu bewegen. Mit Bor dotiertes Silizium wird daher p-Typ (Positiv-Typ)-Silizium genannt.

Diese Phänomene können in Solarzellen dazu benutzt werden, Sonnenenergie einzufangen und in elektrische Energie umzuwandeln. Die einfachste Solarzelle bildet die Verbindung zweier Halbleiter, einer p-dotiert und der andere n-dotiert, was man eine p-n-Verbindung nennt. An dieser Verbindungsstelle „sehen“ die Elektronen die Löcher im p-Typ-Silikon und wandern, um sie zu füllen. Damit schaffen sie Elektron-Loch-Paare. Trifft jedoch ein Photon auf eines dieser Paare, zerfällt es und die Bewegung dieser neu entstandenen, positiven wie negativen, Ladungsträger durch das Material erzeugt einen elektrischen Strom.

Ein elektrischer Strom entsteht an der Schnittstelle der n-p-Verknüpfung
Mit freundlicher Genehmigung von Enrique García-García

Doch nicht alle freigesetzten Ladungsträger, die bei diesem Prozess erzeugt werden, tragen zum Strom bei. Stattdessen wird ein signifikanter Anteil von Elektronen und Löchern wieder miteinander paaren und Wärme erzeugen. Dies reduziert die Effizienz der Energieumwandlung eines photovoltaischen Materials: der Prozentsatz der einfallenden Solarenergie, der in elektrische Energie umgewandelt wird. Das ist einer der wichtigsten Qualitätsparameter einer Solarzelle. Derzeit haben kommerziell erhältliche Solarzellen eine Effizienz von etwa 20%. Es gibt aber erhebliche Anstrengungen, diesen Wert zu verbessern.

Photovoltaik in der Praxis

Durch Photovoltaik
betriebene Handy-
Basisstation

Mit freundlicher Genehmigung
von Aomorikuma; Bildquelle:
Wikimedia Commons

Wir wissen jetzt, was in einer Solarzelle passiert, aber wie sieht die Praxis der Nutzung einer Solarzelle beim Einfangen der Sonnenenergie aus? Ein Standardsolarmodul hat etwa 1.3 m2und besteht aus einer Anordnung von etwa 50 einzelnen Solarzellen. Abhängig von der Technologie kann ein Modul etwa 200 W liefern. Daher kann eine Einheit aus fünf Modulen die Energie für einen durchschnittlichen Haushalt liefern — etwa 1 kW. Theoretisch könnte der gesamte Energiebedarf Europas gedeckt werden, wenn man nur 1% des Kontinents mit Solarzellen überziehen würde. In Wirklichkeit jedoch wird Solarenergie nur ein Teil der Lösung unserer Energieprobleme sein.

2010 wurden etwa 7% der Energie mittels Photovoltaik-Technologie gewonnen, aber optimistische Schätzungen, welcher Anteil des europäischen Energiebedarfs durch Solarenergie realistischerweise gedeckt werden könnte, reichen von 30 bis 50%. Genauere Zahlen sind noch nicht verfügbar, weil sich die nötigen technologischen Innovationen noch in der Entwicklung befinden.

Eine der Limitierungen von Solarenergie ist die starke Abhängigkeit des von den Solarzellen produzierten Stroms von Umweltfaktoren wie Bewölkung, dem Winkel der Sonneneinstrahlung auf das Panel, Schnee, Regen, Blätter und anderen Verschmutzungen auf der Oberfläche, und natürlich die Nachtzeit. Eine Lösungsmöglichkeit besteht darin, Solarenergie in ein Smart Grid einzubinden, einem neuen Stromnetz-Konzept, welches Stromproduktion aus verschiedenen Quellen koordiniert, inklusive Solarzellen, Wärmegeneratoren und Atomkraftwerke, um den Verbraucheransprüchen zu genügen. Bei dieser Art der Stromverteilung spielen Solarzellen eine zunehmend wichtige Rolle.

Inspektion des Solarpanels während der letzten Tests des GOCE-Satelliten der ESA, der die Erdanziehungskraft kartiert. Die Raumsonde ist mit vier am Korpus und zwei an den Flügeln montierten Solarpanels ausgestattet. Diese Seite ist im Weltraum der Sonne zugewandt. Wegen dieser Stellung sind die Solarpanels extremen Temperaturdifferenzen ausgesetzt. Daher wurden Materialien verwendet, die Temperaturenspitzen bis 160ºC und Temperaturminima bis -170ºC tolerieren
Mit freundlicher Genehmigung von ESA
Illustration der
Internationalen Raumstation,
die Solarpanels mit der
Spannweite eines
Fußballfelds hat und
beachtliche 92 kW Strom
erzeugt

Mit freundlicher Genehmigung
von ESA / D Ducros

Sie werden auch in kleineren Dimensionen populärer, wo die Elektrizität vor Ort genutzt werden könnte, wie in Wohnhäusern, für Straßentelefone, in Industrieanlagen und in Booten, Autos und sogar von der Internationalen Raumstationw1.

Während wir also immer noch unerreichbar weit davon entfernt sind, unsere jährlichen globalen Energieansprüche aus fünf Stunden Sonnenschein zu decken, wird die Photovoltaik-Technologie eine zunehmend machbare Energiequelle. Wenn Sie das nächste Mal den Kessel oder das Fernsehen anschalten, dann denken Sie an das Sonnenlicht, durch dessen Hilfe es mit Strom versorgt wird.

 

Organische Photovoltaik

Photovoltaik-Panels auf der Grundlage kristalliner Halbleiter, wie im Artikel beschrieben, sind relativ aufwendig in Herstellung und Verarbeitung. Eine Alternative sind organische Photovoltaik-Materialien, mit denen große Solarpanels auf flexiblen Untergründen mit preisgünstigen Verfahren wie tintenstrahldrucken hergestellt werden können. Es ist aber noch viel mehr Forschung zur Verbesserung ihrer Effizienz nötig.

Die meisten organischen Photovoltaik-Geräte basieren auf dünnen Filmen mit einer Elektronenakzeptor-Komponente (wie ein Fulleren-Derivat) und einer Elektronendonator-Komponente (üblicherweise ein konjugiertes Polymer) zwischen zwei Elektroden. Diese zwei Komponenten müssen gemischt werden, um ein gleichmäßiges Netz von Donor- und Akzeptor-Wegen für die Träger (Elektronen oder Löcher) zu erhalten, damit sie die entsprechenden ElEktroden erreichen können (siehe Abbildung). Die Analyse mit Synchrotron-Röntgenstrahlen an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) ist ein guter Weg zur genauen Analyse dieser Materialien und zur Verbesserung ihrer Eigenschaften.

Diese Plastikfolie besteht aus einer Mischung aus einem kontiniuierlichem Netz von Donatoren (hellbraun) und Akzeptoren (dunkelbraun), die Ladungsübergang zwischen den zwei Elektroden ermöglichen (graue und magentafarbene Bänder jeweils am oberen und unteren Rand)
Mit freundlicher Genehmigung von ESRF

Mehr dazu auf der ESRF-websitew2.

ESRF ist Mitglied des EIROforumw3, dem Herausgeber von Science in School.

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Alle vier Autoren arbeiten an der Universität Salamanca, Spanien.

Enrique García-García hat einen Abschluss in Physik und einen Master in Physik und Lasertechnologie. Zu seinen Forschungsinteressen gehören die elektrische Charakterisierung von Solarzellen und elektromagnetische Wellen bei Frequenzen im Terahertz-Bereich (Terahertz-Strahlung).

Dr. Yahya Moubarak Meziani hat einen PhD in Halbleiterphysik der Universität Montpellier 2, Frankreich. Er hat seit 2008 eine Forschungsgruppe zu Terahertz-Strahlung geleitet.

Professor Jesús Enrique Velázquez-Pérez hat seinen PhD an der Université Paris-Sud, Fankreich, erhalten für die Simulation und die Entwicklung hochfrequenter elektronischer Komponenten. Seit den frühen 1990er Jahren gehört er der Universität Salamanca an.

Dr. Jaime Calvo-Gallegos Forschungsinteressen schließen Monte-Carlo-Computersimulationen elektronischer Geräte, Wärmetransport und Terahertzgeräte ein.


Review

Die intensive Nutzung der Solarenergie ist ein derzeit weit verbreitetes Thema in verschiedenen Ländern weltweit, besonders angesichts zunehmenden Bewusstseins des Klimawandels und der Erschöpfung nicht-erneuerbarer Energien. Länder erkennen immer mehr, dass sie weniger von nicht-erneuerbaren Energien abhängen und gleichzeitig erneuerbare Energien fördern sollten.

Dieser Artikel ist ein sehr gutes Beispiel dafür, wie Halbleiter für Photovoltaikzellen genutzt werden und er verschafft eine allgemeine Vorstellung davon, wie viel Energie die Sonne ausstrahlt und wie viel davon von Solargeräten tatsächlich eingefangen wird. Die Hauptanliegen des Artikels können Teil einer breiteren Themenpalette wie dem photoelektrischen Effekt, Leiter, Isolatoren, intrinsische und extrinsische Halbleiter, Theorie des Energiebandes und elektrischer Strom sein.

Folgende Verständnis- und weiterführende Fragen könnten gestellt werden:

  1. Die Sonne ist eine leistungsfähige Quelle erneuerbarer Energie. Warum steuert Solarenergie nur einen kleinen Prozentsatz zur tatsächlichen, jährlich verbrauchten Energie bei?
  2. Erklären Sie, warum Halbleiter wie Silizium in Photovoltaikzellen benutzt werden.
  3. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann durch Dotierung des Materials erhöht werden. Erklären Sie, wie dieser Vorgang p- und n-Typ-Halbleiter erzeugt.
  4. Wie werden diese dotierten Halbleiter in Photovoltaikzellen zum Einfang der Sonnenenergie genutzt?
  5. Wie wirksam sind diese Photovoltaikzellen und wie viel Energie wird in der Praxis in Europa mittels Photovoltaik-Technologie gewonnen?
  6. Welche Faktoren limitieren die Wirkung der solaren Energiegewinnung?

Dieser Artikel verknüpft in idealer Weise die Themen erneuerbare Energien (wie Solarenergie) mit Umweltthemen. Der positive Einfluss der Nutzung von solaren Photovoltaikzellen oder Solarheizungen ist gut dokumentiert. Wir könnten unsere Schüler auch dazu anregen, den Einfluss dieser Dinge in zukünftigen Jahren auf unseren Planeten zu studieren und darüber nachzudenken. Aus welchen Materialien werden Solarheizungen, Solarpanele und Photovoltaikzellen gebaut? Schadet der Herstellungsprozess irgendwie der Umwelt? Wie groß ist die Lebensdauer der Ausrüstung und wie wird sie danach entsorgt? Werden die Materialien aus nicht-erneuerbaren Materialien hergestellt? Falls ja, wie lange sind die Materialien verfügbar? Kann man diese Geräte angesichts ihrer Effizienz wirtschaftlich herstellen und unterhalten?


Catherine Cutajar, Malta




License

CC-BY-NC-ND