Was sind Photovoltaikzellen und woraus bestehen sie?

Überlegen Sie, Photovoltaikanlagen für Ihr Zuhause zu erwerben? Fragen Sie sich, woraus Solarmodule bestehen und wie sie funktionieren? Erfahren Sie mehr über die Umwandlung von Solarenergie in Strom, der Ihnen jedes Jahr dabei helfen kann, Ihre Energiekosten zu senken! Hier ist alles, was Sie wissen müssen, bevor Sie Photovoltaikanlagen installieren und bevor Sie beginnen, nach einem vertrauenswürdigen PV-Anbieter und Installateur zu suchen.

Photovoltaikanlagen erleben in ganz Europa einen rasanten Anstieg an Beliebtheit, nicht nur bei Unternehmen und Industrieanlagen, sondern auch in Wohngebieten. Mit PV-Modulen können Familien jährlich Hunderte von Euro an Stromkosten sparen und gleichzeitig ihren Beitrag zum Umweltschutz leisten. Die Sonne ist eine unerschöpfliche Energiequelle, was sie zur effizientesten erneuerbaren Energiequelle sowohl für Haushalte als auch für die Industrie macht. Mit Hilfe eines großzügigen Speichersystems, wie einer Solarbatterie, kann diese Energie während sonnenreicher Zeiten gespeichert und an anderen Tagen, beispielsweise im Winter oder im trüben Herbst, genutzt werden. Viele Familien haben bereits ihre Photovoltaikanlagen auf den Dächern ihrer Häuser installiert, doch nur wenige haben sich dafür interessiert, wie solche Module funktionieren und wie sie aufgebaut sind. Was ist das Geheimnis, das Sonnenkraft in Strom umwandelt? Erfahren Sie es in unserem heutigen Artikel.

Wenn Sonnenlicht auf eine Photovoltaikzelle (PV-Zelle), auch als Solarzelle bekannt, trifft, kann es entweder reflektiert, absorbiert oder durch die Zelle hindurchgelassen werden. Diese Zellen bestehen hauptsächlich aus Halbleitermaterialien, was bedeutet, dass sie Elektrizität besser leiten können als Isolatoren, aber nicht so effizient wie Metalle. Verschiedene Halbleitermaterialien werden in PV-Zellen verwendet.

Doch wie funktioniert eine Photovoltaikzelle genau? Wenn Licht mit dem Halbleitermaterial interagiert, wird die Energie absorbiert und auf negativ geladene Teilchen im Material, sogenannte Elektronen, übertragen. Diese zusätzliche Energie ermöglicht es den Elektronen, sich durch das Material zu bewegen, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Metallkontakte auf der PV-Zelle, die in einem gitterartigen Muster angeordnet sind, leiten diesen Strom ab, der dann genutzt werden kann, um Häuser mit Strom zu versorgen oder ins Stromnetz eingespeist zu werden.

Die Effizienz einer PV-Zelle wird im Wesentlichen durch das Verhältnis der von der Zelle erzeugten elektrischen Leistung zur Energie des auftreffenden Lichts bestimmt. Dieser Wert gibt an, wie effektiv die Zelle Energie von einer Form in eine andere umwandelt. Die Stromerzeugung von PV-Zellen wird durch Faktoren wie die Intensität und Wellenlängen des verfügbaren Lichts sowie verschiedene Leistungsmerkmale der Zelle beeinflusst.

Ein entscheidendes Merkmal von PV-Halbleitern ist die Bandlücke, die bestimmt, welche Wellenlängen des Lichts das Material absorbieren und in elektrische Energie umwandeln kann. Die Bandlücke ist der Abstand zwischen dem Valenzband der Elektronen und dem Leitungsband. Sie repräsentiert die Mindestenergie, die erforderlich ist, um ein Elektron in einen Zustand im Leitungsband zu versetzen, in dem es zur Stromleitung beitragen kann. Wenn die Bandlücke des Halbleiters den Wellenlängen des auftreffenden Lichts entspricht, kann die Solarzelle die gesamte verfügbare Energie effizient nutzen.

Da Sie nun wissen, wie Solarzellen funktionieren, ist es an der Zeit, das Material zu untersuchen, das Sonnenkraft in Solarenergie umwandelt. Verschiedene Arten von Solarzellen benötigen unterschiedliche Arten von Solarzellmaterial. Dies wird im untenstehenden Solarzellen-Diagramm deutlich. Lassen Sie uns nun in die am häufigsten verwendeten Photovoltaikmaterialien für PV-Zellen eintauchen:

Dünnschichtsolarzellen werden hergestellt, indem eine oder mehrere dünne Schichten aus PV-Material auf ein Trägermaterial wie Glas, Kunststoff oder Metall aufgebracht werden. Zwei Haupttypen von Dünnschicht-PV-Halbleitern dominieren den Markt: Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS). Während CdTe-Zellen kostengünstige Herstellungsprozesse bieten, bleibt ihre Effizienz hinter der von Silizium zurück. CIGS-Zellen weisen vielversprechende Eigenschaften für PV-Anwendungen auf, stehen jedoch vor Herausforderungen in der Herstellung. Beide Materialien benötigen im Vergleich zu Silizium einen verstärkten Schutz für den langfristigen Außeneinsatz.

Silizium ist das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial in Solarzellen und macht etwa 95 % der heute verkauften Module aus. Es ist auch nach Sauerstoff das zweithäufigste Material auf der Erde und wird häufig in Computerchips verwendet. Kristalline Siliziumzellen bestehen aus miteinander verbundenen Siliziumatomen, die ein Kristallgitter bilden und so eine geordnete Struktur schaffen, die die Umwandlung von Licht in Strom verbessert. Diese auf Silizium basierenden Solarzellen bieten eine Kombination aus hoher Effizienz, niedrigen Kosten und langer Lebensdauer. Sie halten oft 25 Jahre oder länger und behalten dabei über 80 % ihrer ursprünglichen Leistung.

Perowskit-Solarzellen, eine Unterart der Dünnschichtzellen, verdanken ihren Namen ihrer charakteristischen Kristallstruktur. Diese Zellen bestehen aus Schichten von Materialien, die auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Perowskit-Zellen sind relativ einfach zusammenzusetzen und weisen Effizienzen auf, die mit denen von kristallinem Silizium vergleichbar sind. Die Effizienz hat sich im Labor schnell verbessert, aber die kommerzielle Nutzbarkeit hängt davon ab, die Haltbarkeit für den langfristigen Außeneinsatz zu erhöhen und kostengünstige Herstellungstechniken zu entwickeln.

Quantenpunkt-Solarzellen nutzen winzige Halbleiterpartikel, die nur wenige Nanometer groß sind, um Elektrizität zu leiten. Obwohl sie neuartige Halbleiterverarbeitungs-methoden bieten, bestehen weiterhin Herausforderungen bei der Herstellung effizienter elektrischer Verbindungen. Quantenpunkte gibt es in verschiedenen Größen mit anpassbaren Bandlücken, was eine Optimierung der Lichtsammlung und die Integration mit anderen Halbleitern, wie Perowskiten, zur Leistungssteigerung ermöglicht.

Organische PV (OPV)-Zellen bestehen aus kohlenstoffreichen Verbindungen und bieten Anpassungsmöglichkeiten für spezifische Funktionen von PV-Zellen. Obwohl sie nur etwa halb so effizient sind wie kristalline Siliziumzellen und eine kürzere Lebensdauer haben, bieten OPV-Zellen Chancen für eine kostengünstige Massenproduktion. Ihre Anpassungsfähigkeit an verschiedene Trägermaterialien, einschließlich flexibler Kunststoffe, erweitert ihre potenziellen Anwendungsbereiche.

Konzentrator-Photovoltaik (CPV) konzentriert Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln oder Linsen auf eine Solarzelle, wodurch weniger PV-Material benötigt wird. Diese Konzentration erhöht die Effizienz des PV-Materials, erfordert jedoch teurere Materialien und eine präzise Sonnennachführung, was Herausforderungen bei der Erzielung von Kostenvorteilen gegenüber herkömmlichen Siliziummodulen mit sich bringt.

Mehrfachsolarzellen nutzen mehrere Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Bandlücken, um ein breiteres Sonnenspektrum einzufangen und höhere Effizienzen im Vergleich zu Einzelzellen zu erreichen. Obwohl Mehrfachsolarzellen Effizienzen von über 45 % erreicht haben, bleibt ihre Produktion teuer und komplex, weshalb sie hauptsächlich für spezialisierte Anwendungen wie Raumfahrt und militärische Drohnen reserviert sind.

In diesem Artikel wurden Ihnen die verschiedenen Arten von Solarzellmaterialien vorgestellt. Auch wenn die Informationen technisch und schwer verständlich erscheinen mögen, gibt es keinen Grund, sich überfordert zu fühlen. Ihr gewählter Installateur verfügt über alle notwendigen Informationen, damit Sie Ihre Photovoltaikanlagen effektiv nutzen und sowohl Energie als auch die Umwelt schonen können. Wenn Sie weitere Informationen über Photovoltaik benötigen, zögern Sie nicht, unsere anderen Artikel zu lesen oder Ihren vertrauenswürdigen Installateur zu kontaktieren.