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Solarzellen 06:15 min

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Transkript Solarzellen

Hallo und herzlich willkommen! Eine der größten Aufgaben unserer Zeit ist es, Energie aus erneuerbaren Energieträgern zu gewinnen, um auch in Zukunft auf dem Planeten Erde leben zu können. Der größte Lieferant erneuerbarer Energie ist die Sonne. Wie man mit Solarzellen aus Sonnenlicht elektrische Energie gewinnen kann, lernst du in diesem Video. Dazu wiederholen wir kurz, was eine Diode ist. Danach erkläre ich dir, wie eine Fotodiode Lichtenergie in elektrische Energie wandelt. Anschließend lernst du noch, wo die Photovoltaik Anwendung findet. Und damit kann es auch schon losgehen. Eine Diode besteht aus einer positiv und einer negativ dotierten Halbleiterschicht. Jede Schicht für sich ist neutral, da sie aus neutralen Atomen besteht. Allerdings existieren durch die Dotierung freie Ladungsträger. Wenn man die Schichten zusammenbringt, rekombinieren diese einen p-n-Übergang. Das heißt, dass die Ladungen sich neutralisieren. In der Umgebung des Übergangs gibt es dann keine freien Ladungsträger mehr. Dadurch ist die Grenzfläche nicht mehr elektrisch neutral. Die n-dotierte Schicht hat weniger negative Ladungen. Sie ist an der Grenzfläche positiv geladen. Bei der p-dotierten Schicht fehlen positive Ladungen. Sie ist an der Grenzfläche negativ geladen. Durch diese entgegengesetzten Raumladungen entsteht ein elektrisches Feld, was eine elektrische Spannung zufolge hat. Diese Spannung ist der Diffusionsbewegung der Ladungsträger entgegengerichtet und hindert diese daran, in die jeweils andere Schicht zu diffundieren. So stellt sich ein Gleichgewicht ein. Legt man nun eine äußere Spannung an, kann man dieses Gleichgewicht beeinflussen und so für jede Diode eine charakteristische Kennlinie aufnehmen. Aus dieser Kennlinie kann man die Schleusenspannung US in Durchlassrichtung ablesen, ab der die Diode leitet. Außerdem kann man aus der Kennlinie die Durchbruchspannung UBr ablesen, bei der die Diode in Sperrrichtung durchschlägt. Eine spezielle Form von Dioden sind Photodioden. Ihre Besonderheit ist, dass man mit ihnen aus Licht elektrische Energie gewinnen kann. Bei Photodioden bildet im Betrieb die n-dotierte Schicht den negativen Pol und die p-dotierte Schicht den positiven Pol einer Spannungsquelle. Das Schaltzeichen der Photodiode sieht folgendermaßen aus. Die n-dotierte Schicht ist ganz dünn, sodass Lichtteilchen, sogenannte "Photonen", durch sie hindurch bis zum p-n-Übergang durchdringen können. Photonen sind Träger der Energie des Lichts. Trifft ein solches Photon mit ausreichender Energie auf eines der neutralen Atome am p-n-Übergang, so schlägt es ein Elektron aus der Schale des Atoms. Wie viel Energie das Photon dafür braucht, ist materialabhängig. Die Energie des Photons wird dafür verwendet, entgegengesetzt geladene Teilchen voneinander zu entfernen. Die Strahlungsenergie wird in der Photodiode also in elektrische Energie umgewandelt. Es entstehen freie Ladungsträger, das Elektron und eine Elektronenfehlstelle, kurz Loch. Aufgrund des elektrischen Feldes am p-n-Übergang trennen sich die Ladungsträger. Die Elektronen sammeln sich am oberen Kontakt und die Löcher am unteren Kontakt. Ladungsträgertrennung führt zu einer elektrischen Spannung. Die Diode ist also eine Spannungsquelle. Die Spannung in einer Solarzelle bei offenem Stromkreis liegt unter einem Volt. Schließt man den Stromkreis, so misst man für unterschiedliche Bestrahlungsstärken E1 < E2 < E3 unterschiedliche Kennlinien. Die maximale elektrische Leistung P = U * I entspricht der größtmöglichen Fläche unter der Kennlinie. Die eben beschriebenen Vorgänge sind das Grundprinzip der Photovoltaik. Photovoltaik beschreibt die direkte Umwandlung von Licht- beziehungsweise Strahlungsenergie in elektrische Energie. Auf kleinstem Niveau geschieht das, wie eben beschrieben, in Fotodioden. Fasst man viele Fotodioden in einem Bauelement zusammen, so hat man eine Solarzelle. Diese Solarzellen findet man oft auf Hausdächern, aber auch an Taschenrechnern, Straßenlaternen und Parkautomaten. Schon heute decken Solarzellen an sonnenreichen Tagen den kompletten Strombedarf Deutschlands. Um angeben zu können, wie effektiv eine Solarzelle Strahlungsenergie in elektrische Energie wandelt, nutzt man den Wirkungsgrad Lambda λ. Er ist gleich dem Quotienten aus nutzbarer elektrischer Energie und einfallender Strahlungsenergie. Derzeit beträgt er bei praktischen Anwendungen je nach Bauart der Solarzelle zwischen 12 und 18 Prozent. Unter Laborbedingungen werden auch Wirkungsgrade von über 40 Prozent erreicht. Da Solarzellen die Möglichkeit bieten, Strom ohne Emission von Treibhausgasen oder Erzeugung von Atommüll zu erzeugen, wird in diesem Gebiet intensiv geforscht. So, was hast du eben gelernt? Trifft ein Photon auf den p-n-Übergang einer Photodiode, so schlägt es ein Elektron aus der Schale des Atoms und erzeugt so ein Elektronen-Loch-Paar. Die Elektronen und Löcher trennen sich und so entsteht eine elektrische Spannung zwischen den Kontakten. So wird Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie gewandelt. In Solarzellen sind viele dieser Photodioden in einem Bauteil zusammengefasst. Sie erreichen bei praktischen Anwendungen einen Wirkungsgrad zwischen 12 und 18 Prozent. In der Photovoltaik ruhen große Hoffnungen bezüglich der Erzeugung erneuerbarer Energie. Das war es zu den Solarzellen. Ich hoffe, du hast was gelernt. Tschüss und bis zum nächsten Mal!