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Energieversorgungssysteme
a) Aufbau einer Solarzelle
Für die Nutzung des photovoltaischen Effekts [A1] eignen sich Halbleiter [A2] am besten. Halbleiter sind eine Mischung aus einem leitenden (Metall) und nicht leitenden (Isolatoren) Material. In der Photovoltaik wird meist Silizium als Halbleiter verwendet.
Durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen (z.B. Bor oder Phosphor) in das Kristallgitter des Silizium-Kristalls, werden in der Silizium-Scheibe (Wafer [A3]; ca. 0,5mm) zwei Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften geschaffen. Die sogenannte n- (Donator) bzw. Die p- (Akzeptor) Schicht. Dieser Vorgang nennt sich Dotierung [A4]. Die Dotierung ist notwendig da Halbleiter nur schwach leiten. Durch die Dotierung bekommen die Halbleiter ein großes Potential an freien Ladungsträgern und somit sind sie gute Leiter. Während der Donator der Elektronenspender ist, ist der Akzeptor der Elektronenempfänger.
Die Kontaktierung der Solarzelle ist für Vorder- und Rückseite unterschiedlich. Während der metallische Kontakt auf der Rückseite flächendeckend angebracht werden kann, muß der Kontakt auf der dem Licht zugewandten Seite so gestaltet sein, daß möglichst viel Licht auf das Silizium trifft. Monokristalline Solarzellen [A5] haben daher auf der Vorderseite zur Spannungsableitung sehr schmale Metalleiterbahnen, meist Kontaktfinger genannt.
Es gibt noch andere Solarzellentypen (z.B. polykristalline [A6] und amorphe [A7] Solarzellen), zur Vereinfachung wurde jedoch nur die monokristalline Solarzelle beschrieben. Sie wird in der Praxis am häufigsten verwendet, und ist für den Leser auf Grund der Komplexität der Halbleiterphysik am leichtesten verständlich.
b) Grundsätzliche Wirkungsweise
Durch die wie unter a) bereits genannte Dotierung, erhält man eine "p-dotierte" Schicht mit einem Überschuß an freien positiven Ladungsträgern und eine "n-dotierte" Schicht mit negativen Ladungsträgern. Im Silizium-Plättchen entsteht eine n-/p-Grenzschicht. Um die n-/p-Grenzschicht hat sich schon im dunklen Zustand auf Grund der entgegengesetzten Dotierung eine Verschiebung (Diffusion) von Elektronen in die p-Schicht bzw. von Löchern in die n-Schicht vollzogen. Diese diffundierten Elektronen und Löcher werden auf beiden Seiten der Trennschicht zum Stoppen gebracht und bilden somit ein elektrisches Feld, daß vom n- zum p-Halbleiter gerichtet ist.
In dem Kristallgitter gibt es eine Fehlstelle, ein sogenanntes Loch. Dieses hat eine positive Ladung, die der Größe nach der Ladung eines Elektrons entspricht. Damit wirkt es auf ein Elektron ein, was dazu führt, daß sich nun dieses aus seiner Bindung löst und das Loch besetzt. Aber dadurch entsteht natürlich wieder ein Loch, welches seinerseits auf ein Elektron wirkt. Es verläßt seinen alten Platz, besetzt das Loch und hinterläßt eine Fehlstelle. Im Prinzip ein Kreislauf ohne Ende. So entsteht an der Trennschicht ein elektrisches Feld. [...] (Hoffmann 18)
Treffen nun Photonen (Lichtquanten -> massenlose Elementarteilchen) auf die dotierte Silzium-Schicht, werden durch die Energie der Photonen, aus dem Atomverband des Kristalls, Elektronen gelöst. Diese werden durch das elektrische Feld sortiert. Es entsteht eine Potentialdifferenz und damit an den äußeren Anschlußkontakten auch eine Spannung, so daß bei Anschluß eines Verbrauchers ein Strom fließen kann (siehe Abb.2).
c) Der Aufbau des Solarmoduls
Die derzeit üblichen kristallinen Solarzellen von 100 x 100 mm Größe geben bei voller Einstrahlung eine Leistung von ca. 1,5 Watt bei einem Strom von etwa 2,5A ab. Um unter diesen Bedingungen zu technisch nutzbaren Leistungen zu gelangen und um das hochempfindliche Silizium-Plättchen zu schützen, ist es notwendig mehrere Solarzellen zu einem Solarmodul [A8] zu verschalten.
Die Leistung einer Solarzelle reicht für kaum mehr als einen Taschenrechner. Zur Stromerzeugung werden deshalb Solarzellen in Solarmodulen miteinander verkettet und dort schützt sie eine Vorderabdeckung aus Glas, eine Rückseitenabdeckung und ein Rahmen vor extremer Witterung und Beschädigung. (Staatsministerium 26)
Durch das Verschalten von einzelnen Solarzellen zu festen Einheiten von 10....40 Zellen werden die sogenannten "Module" hergestellt. Je nach Spannungs- und Strombedarf lassen sich die Zellen des Moduls in Reihe (Spannungen addieren sich; Stromstärke = konstant) oder parallel (Stromstärken addieren sich; Spannung = konstant) schalten. So ergibt sich für ein solches Modul eine Leerlaufspannung von ca. 15 bis 24V.
Die maximale Leistung oder auch Spitzenleistung [A9] (Pmax) von Solarzellen und -modulen, wird in Wattpeak (Wp) angegeben. Voraussetzung für die Messung der maximalen Leistung sind Normbedingungen wie Einstrahlung (1000W/m²), Zellentemperatur (25C°) und das Lichtspektrum (AM 1,5). Diese normierten Leistungsangaben erlauben vergleiche von Modulen verschiedener Hersteller. Die Spitzenleistung ist stark abhängig von der Zelltemperatur, mit steigender Bestrahlungstärke und Temperatur nimmt diese rapide ab.
Die Ausgangsleistung von Solarzellen ist stark abhängig von der Temperatur der Zelle: Pro Grad Temperaturerhöhung sinkt die Spannung um mehr als 0,5%, der Strom steigt um ca. 0,05%. Für die Leistung wirkt sich gerade die Spannungsabhängigkeit stark aus, die Leistung sinkt also um ca. 0,5%, wenn die Zelle um 1 Grad wärmer wird. (WWW Solid)
Mehrere zusammengeschaltete Module ergänzen sich zu einem PV - Generator [A10].
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