Einleitung

Geschichte

1836, während der Zeit des deutschen Kaiserreichs, erkannte in Frankreich Alexandre Edmond Becquerel, dass die Leistung einer Batterie, die nicht von der Sonne beschienen wird, geringer ist, als wenn sie von der Sonne beschienen wird. Damit beobachtete er den Photoeffekt. Auch wenn Alexandre die Ursache dafür nicht fand, wies er den Effekt mit einem Experiment nach: Er füllte ein Gefäß mit Säure und deckte eine Hälfte ab, sodass ein Teil der Säure von der Sonne beschienen wurde und der andere Teil abgedunkelt war. Danach tauchte er 2 Elektroden in die Säure, die eine in den erhellten Teil der Säure, die andere Elektrode in den abgedunkelten Teil. Die beiden Elektroden waren über den Spannungsmesser verbunden. Als er das Gefäß in die Sonne stellte, wurde die Spannung größer.

Erst 1904 fand der deutsche Philipp Lenard eine Erklärung für den Photoeffekt: Wenn Lichtstrahlen auf Metalle auftreffen, lösen sie aus der Oberfläche Elektronen heraus. Warum das so ist, bekam er aber nicht heraus. Auch der Grund dafür, wieso es nur mit bestimmten Metallen funktionierte, blieb ungelöst. Trotzdem war es ein Erfolg für die Physik, weshalb Philipp Lenard ein Jahr später den Nobelpreis für Physik erhält.

Albert Einstein konnte 1905 mit Hilfe der Quantentheorie auch noch die restlichen Fragen lösen. Nach der Quantentheorie ist die Energie eines Photons (Lichtteilchen) nur von seiner Wellenlänge, also Farbe abhängig. Die Bahnenergie der Elektronen ist abhängig davon, welches Metall verwendet wird. Wenn nun ein Photon auf ein Elektron trifft, von dem die Bahnenergie der Energie des Photons entspricht, wird das Elektron herausgelöst. Ist letztere kleiner, kommt es zu keiner Reaktion, auch nicht wenn mehrere Photonen auf das Elektronen treffen. Ist sie größer kann es unter Umständen zu einer Reaktion kommen. Für diese Erkenntnis erhielt Albert Einstein den Physiknobelpreis.

Der größte Unterschied der damaligen Solarzelle zur heutigen war, dass sie nur eine Siliziumschicht hatte. Das änderten 1949 Wiliam B. Shokley, Walther H. Brattain und John Bardeen, denn sie entdeckten den p-n-Übergang. Der p-n-Übergang erhöht den Wirkungsgrad, das Verhältnis zwischen der Licht- und erzeugten Energie erheblich.

Schon fünf Jahre später wurden von der amerikanischen Firma Bell die ersten Solarzellen zur Energiegewinnung hergestellt. Diese Solarzellen hatten allerdings nur einen Wirkungsgrad von ca. 5%. Als Solarzellen nach nur vier Jahren bei einem Satelliten genutzt wurden, war der Wirkungsgrad auf das doppelte angestiegen.

Weitere für Solarzellen entscheidende Entdeckungen gab es nicht, aber die Wirkungsgrade werden noch bis heute immer weiter verbessert.

Funktionsweise

In Solarzellen werden heute fast immer Halbleiter eingesetzt. Der Photoeffekt tritt zwar auch bei Metallen auf, aber diese sprechen nicht so gut auf die Lichtfrequenzen an, die es auf der Erde gibt, was dagegen Halbleiter tun. Außerdem leiten Metalle sehr gut. Somit ist der Widerstand zu einer Elektrode vergleichsweise hoch und die Elektronen lassen sich nur sehr schwer abfangen. Halbleiter haben in sich schon einen relativ hohen Widerstand, im Gegensatz dazu ist der Widerstand in der Elektrode nur gering und die Elektronen können sich dort ohne Weiteres fortbewegen.

Halbleiter bestehen aus Halbmetallen wie Silizium und sind, wie der Name schon sagt, Stoffe, die Strom nur schlecht leiten. Im Gegensatz dazu gibt es Isolatoren aus Nichtmetallen, die überhaupt keinen Strom leiten und Leiter, welche aus Metall bestehen und Strom fast verlustfrei leiten. Dabei haben Halbleiter besondere Eigenschaften. Bei Wärme oder Lichtzufuhr verbessern sie ihre Leiteigenschaften und bei Kälte werden sie verschlechtert. (In der Animation auf "Weiter" klicken)

Anwendung

Anwendungsgebiete

Das ist zum Beispie im Verkehr bei Straßen-Solarstationen an Funk-Notrufsäulen, Hinweisschildern oder Parkautomaten der Fall. In Gärten werden bei Lampen oder Ähnlichem oft Solarzellen eingesetzt, die tägsüber die Akkus aufladen und dann nachts leuchten, sodass nicht erst Stromkabel gelegt werden müssen. Ohne Solarstrom kommen auch viele Camper nicht mehr aus, denn man kann die damit betriebenen Geräte schnell auf- und abbauen. Kleine Photozellen sind bei Taschenrechnern wichtig, die einem das Batterienkaufen und -wechseln ersparen. Wesentlich größere Solaranlagen machen die Raumfahrt erheblich einfacher, sie hat heute fast jeder Satellit und verlängert deren Lebenszeit um ein Vielfaches.

Dort wo man Photovoltaikanlagen am meisten vermutet, auf Hausdächern, werden meistens zur Stromeinspeisung in das öffentliche Netz genutzt. Wegen ihrer Umweltfreundlichkeit, werden diese Anlagen staatlich gefördert, sodass man pro Kilowattstunde, die man in das Stromnetz einspeist, ca. 50 Cent bekommt. Nach 15 bis 20 Jahren hat man die gesamten Ausgaben wieder und man verdient sogar zusätzlich Geld. Oft werden privat aber solarthermische Anlagen, welche die Sonnenenergie zur Erwärmung von Wasser nutzen und günstiger in der Anschaffung sind.

Verbreitung

2003 wurden global 750 MW Energie aus Photozellen gewonnen, im Gegensatz dazu 2000 nur fast 300 MW und vor dem Jahr 1997 nicht einmal die Hälfte davon.

Die größte Energiegewinnung aus Photozellen hat Japan mit mehr als 300 MW (Stand: 2003) und auch die Chinesen haben viele Solarzellen. Die USA gewinnt 120 MW, etwas weniger, als Deutschland mit 150 MW. Der Rest Europas hat zusammen nur einen Gewinn von 60 MW, wovon Griechenland den größten Anteil hat. Viel Nachholbedarf haben die südlichen Länder mit hoher Sonneneinstrahlung, wie Italien, Spanien und Portugal.

Herstellung

Bei 1400 °C wird das Silizium geschmolzen. Bei der einfacheren Methode, der Herstellung von polykristallinen Solarzellen wird das Silizium in Blöcke gegossen. Dabeiergibt sich eine Struktur von vielen einzelnen Kristallen. Monokristalline Solarzellen herzustellen, ist etwas schwieriger, bringt dafür aber auch einen um 2% höheren Wirkungsgrad von 17%. Hier wird aus der Siliziumschmelze langsam eine Kristallstange aus einem einzigen, großen Kristall gezogen.

Danach wird mit Stangen und Blöcken gleich verfahren, sie werden in 0,3 Millimeter dünne Scheiben geschnitten, die Wafer genannt werden. Als nächstes wird noch eine weitere Schicht erzeugt, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird, dieser Arbeitsschritt wird allerdings auch manchmal weggelassen. Um später den Strom von dem Silizium abzuleiten, werden oben und unten Metallkontakte, also Elektroden aufgedampft. Als letztes werden mehrere Wafer in Reihe geschaltet und in ein Gehäuse gepackt und fertig ist das Solarmodul.

Aufbau einer Solaranlage

Um eine Solaranlage zu bauen, die unabhängig vom Stromnetz arbeitet, braucht man zunächst neben dem Solarmodul, das in leichter Schräglage nach Süden zeigt, einen Akku. Dieser speichert die gewonnene elektrische Energie und gibt sie bei Bedarf an den Verbraucher ab. Damit der Solarakku korrekt aufgeladen wird, braucht er einen Laderegler, eine Schaltzentrale zwischen dem Solarmodul und dem Akku. Durch ihn wird die Überladung und Tief-Entladung verhindert. Um den Gleichstrom mit einer geringen Spannung von ca. 0,5V in Wechselstrom mit höherer Spannung zu transformieren, wird ein Wechselrichter benötigt. Damit der Verbraucher auch bei Nacht oder Bewölkung benutzt werden kann, muss ein Laderegler angeschlossen werden, der zwischen Solarstrom und Akku umschaltet.

Zelltypen

Den höchsten Wirkungsgrad erreichen mit 16% einfachkristalline Solarzellen, die im Labor sogar bis zu 25% der Sonnenenergie in elektrische Strom umwandeln. Im Labor sind die Solarzellen aus mehrfachkristallinem Silizium zwar um 5% schlechter, aber in der Produktion kommen sie trotzdem auf einen Wirkungsgrad von 14%. Diese beiden Typen von Solarzellen sind sehr verbreitet. Nur sehr selten werden CdTe und CIS (Dünnschicht) verwendet, sie sind mit 9% Energiegewinnung immernoch etwas besser, als Solarzellen mit amorphem Silizium. Der Vorteil bei den letzten drei genannten ist, dass sie eine sehr kurze Energierücklaufzeit von ungefähr 2 Jahren, es dauert also 2 Jahre, bis die Energie zuückgewonnen wurde, die zur Produktion nötig war. Bei mehrfachkristalinen Solarzellen ist die Rücklaufzeit ungefähr 5 Jahre und bei einfachkristallinen kann es sogar 10 Jahre dauern, bis die Produktionsenergie wieder eingeholt ist.

Quellenangaben