Arbeitsblatt: Photovoltaik

INFO: Material und Funktion von Solarzellen Bereits 1839 machte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel die sensationelle Entdeckung: Wenn Licht (Photo) auf bestimmte Stoffe fällt, entsteht Spannung (Voltaik). Doch wie geht das mit der Photovoltaik? Hier eine grobe Erklärung. Daraus besteht die Solarzelle Nur bestimmte Materialien können Licht in Strom umwandeln, eines ist Silizium. Mehr als 90 Prozent aller Solarzellen werden aus Silizium hergestellt. Sein Vorteil: Der Grundstoff Quarzsand ist in ausreichender Menge auf der Erde vorhanden und Silizium ist umweltverträglich. Licht lockert in der Grenzschicht (grün) Elektronen, die fließen über die Glühbirne außenherum zurück. Foto: DAS HAUS/Andreas Schiebel Eine kristalline Solarzelle besteht meist aus zwei Schichten Silizium – zusammen zwei bis drei Zehntel Millimeter dick. Stand: 06/2020 2020 Maier Alemannenschule-Wutoeschingen.de Seite: 1 6 INFO: Material und Funktion von Solarzellen Auf der Sonnenseite ist das Silizium gezielt mit Phosphor-Atomen durchsetzt. PhosphorAtome haben, simpel ausgedrückt, ein negatives Elektron zu viel (also negativ). Auf der anderen Seite der Zelle sitzen Bor-Atome – sie haben ein Elektron zu wenig (also positiv). Negative und positive Schicht berühren sich. Von der Solarzelle fließt Strom über Laderegler und Wechselrichter in Batterie oder Stromnetz. Foto: DAS HAUS/Andreas Schiebel Stand: 06/2020 2020 Maier Alemannenschule-Wutoeschingen.de Seite: 2 6 INFO: Material und Funktion von Solarzellen Mit Licht zum Stromfluss Trifft Licht auf die Zelle, werden Elektronen in Bewegung gesetzt. So in Fahrt gebracht, springen sie über die Grenze von der negativen in die positive Schicht, wo es an Elektronen mangelt – andere rücken nach. Die Elektronen wandern über Metallgitter (Kontaktfinger), Kabel und Trägerplatte (Kontakt) wieder zurück in ihre alte Schicht auf der Unterseite der Zelle. Wenn der Kreislauf geschlossen ist, fließt elektrischer Strom. Je mehr Lichtstrahlen auf die Elektronen treffen, desto mehr Strom wird produziert. Bei gleichbleibender Einstrahlung hängt der Stromgewinn allein von der Oberfläche ab. Je größer die Oberfläche, desto höher die Stromstärke. Scheint die Sonne stärker, produziert die Solarzelle mehr Strom. Es handelt sich dabei um Gleichstrom, wie er auch in Batterien gespeichert ist. Solarzellen können jedoch keinen Strom speichern, sie liefern ihn. Das Solarmodul Solarzellen können im Freien nicht ohne Schutz arbeiten. Sie müssen unter eine Hülle: das Modul. Im Modul werden mehrere Solarzellen zu einer Einheit zusammen geschaltet. Kristalline Zellen werden aneinander gereiht und miteinander verbunden. Die Stränge verpackt man in Kunststoff-Folien und legt sie zwischen zwei Glasplatten. Die Dünnschicht-Technik produziert beim Bedampfen der Glasplatte quasi eine große Zelle. Ein Laser schneidet sie in Streifen, die miteinander verschaltet werden. Ein Netzeinspeisegerät, auch Wechselrichter genannt, wandelt von den Modulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom (230 Volt Wechselspannung). Man speist den erzeugten Strom vollständig ins öffentliche Stromnetz. Dieser wird vergütet nach dem „Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Zwei Arten: Kristalline und amorphe Solarzellen Es gibt zwei Arten von Solarzellen: kristalline und amorphe. Kristalline Zellen haben einen Anteil der weltweiten Produktion von rund 80 Prozent. Monokristalline Solarzellen: Ausgangsmaterial ist das teure Reinst-Silizium, das in einem zeit- und kostenintensiven Verfahren aus einer Siliziumschmelze herausgezogen, in Stangen gepresst und in bis zu 12 Zentimeter Durchmesser große Scheiben geschnitten wird. Im Monokristall sind alle Atome gleich ausgerichtet. Die blau bis schwarzen, auf Wunsch auch andersfarbigen Zellen beuten die Sonnenstrahlen im Labor bis zu 24 Prozent aus; in der Praxis aber nur bis 16 Prozent. Multikristalline Solarzellen: Industriell hergestelltes Polysilizium ist billiger als die Produktion von Monokristallen. Der Wirkungsgrad der bläulichen Zellen liegt in der Praxis bei 11 bis 14 Prozent. Kristalline Zellen verlieren auch über Jahrzehnte kaum an Wirkungsgrad. Stand: 06/2020 2020 Maier Alemannenschule-Wutoeschingen.de Seite: 3 6 INFO: Material und Funktion von Solarzellen Zwei Arten: Kristalline und amorphe Solarzellen Es gibt zwei Arten von Solarzellen: kristalline und amorphe. Kristalline Zellen haben einen Anteil der weltweiten Produktion von rund 80 Prozent. Monokristalline Solarzellen: Ausgangsmaterial ist das teure Reinst-Silizium, das in einem zeit- und kostenintensiven Verfahren aus einer Siliziumschmelze herausgezogen, in Stangen gepresst und in bis zu 12 Zentimeter Durchmesser große Scheiben geschnitten wird. Im Monokristall sind alle Atome gleich ausgerichtet. Die blau bis schwarzen, auf Wunsch auch andersfarbigen Zellen beuten die Sonnenstrahlen im Labor bis zu 24 Prozent aus; in der Praxis aber nur bis 16 Prozent. Multikristalline Solarzellen: Industriell hergestelltes Polysilizium ist billiger als die Produktion von Monokristallen. Der Wirkungsgrad der bläulichen Zellen liegt in der Praxis bei 11 bis 14 Prozent. Kristalline Zellen verlieren auch über Jahrzehnte kaum an Wirkungsgrad. Amorphe Solarzellen Für den Springbrunnen im Garten oder die Haushaltswaage im Haus eignen sich die preisgünstigeren amorphen Zellen, ebenso an großflächigen Fassaden. Ist der Platz für eine große Photovoltaikanlage begrenzt, arbeiten die kristallinen Zellen effektiver. So sind amorphe Zellen aufgebaut: Die stromerzeugende Schicht wird auf eine Glasplatte gedampft. Dabei lagern sich die Atome nicht mehr in einer Kristallstruktur, sondern ungeordnet (amorph) an. Für dieses Verfahren braucht man relativ wenig Silizium: das senkt den Preis. Im Vergleich zu den 0,2 bis 0,3 Millimeter dicken kristallinen Zellen messen Dünnschichtzellen nur 0,01 bis 0,05 Millimeter. Die Zellen sind braun oder anthrazit und haben einen Wirkungsgrad von sechs bis sieben Prozent. An düsteren Tagen liefern amorphe Zellen mehr Strom als andere. Der Wirkungsgrad amorpher Zellen sinkt mit dem Jahren: nach 20 Jahren liegt er etwa bei 70 Prozent der Anfangsleistung. Stand: 06/2020 2020 Maier Alemannenschule-Wutoeschingen.de Seite: 4 6 INFO: Material und Funktion von Solarzellen Moderne Solarmodule lassen sich auch dezent auf dem Terrassendach oder dem Carport installieren. Foto: epr/solarcarporte.de Neue Technologien Zwei neuere Dünnschichtzellen arbeiten ohne Silizium: Material aus Kupfer-IndiumDiselenid (CID) und aus Cadmium-Tellurid (CdTe). Die neuartigen Zellen werden zur Zeit in Pilotanlagen eingesetzt. Als Technologie der Zukunft gilt ein neues Dünnschichtverfahren, bei dem eine kristalline Siliziumschicht auf ein Trägermaterial aufgebracht wird. Damit kombiniert man die hohen Wirkungsgrade kristalliner Zellen mit dem geringen Materialverbrauch von Dünnschichtzellen. Stand: 06/2020 2020 Maier Alemannenschule-Wutoeschingen.de Seite: 5 6 INFO: Material und Funktion von Solarzellen Sind der Leistungsfähigkeit Grenzen gesetzt? Wie oben erklärt, erreichen monokristalline Module die höchsten Wirkungsgrade, gefolgt von den polykristallinen Solarmodulen. Den Vorteilen der monokristallinen Module steht jedoch ein hoher Energie- und Kostenaufwand für die Züchtung der Siliziumkristalle gegenüber. Eine neuere Entwicklung könnte hier ein großes Potenzial haben: die quasimonokristallinen Module. Das sind polykristalline Module, die dank einer speziellen Steuerung während des Kristallwachstums ähnliche Eigenschaften haben wie monokristalline Module. Der Wirkungsgrad einer Substanz kann nicht beliebig weiterentwickelt werden und hat natürliche Grenzen – denn das Material kann nur bestimmte Wellenlängen des Lichts verarbeiten. Bei monokristallinen Siliziummodulen liegt der höchste zu erreichende Wirkungsgrad etwa bei 29 bis 33 Prozent – in der Theorie. Ist damit das Ende der Fahnenstange erreicht? Nein, denn neue Technologien schaffen auch neue Möglichkeiten. Sogenannte Tandem-Solarzellen etwa können den Wirkungsgrad durch ein simples Prinzip erweitern: Stapelt man verschiedene Materialien für verschiedene Teile des Lichtspektrums übereinander, wird auch der Wirkungsgrad erhöht. Mehr als 40 Prozent wurden so schon erreicht, vorstellbar sind für die Zukunft mehr als 80 Prozent. Auch am natürlichen Wirkungsgrad wird weiter gefeilt. Japanische Wissenschaftler vermeldeten Anfang 2017 einen neuen Effizienzrekord für Silizium-Solarzellen 26,3 Prozent. Das ist nicht mehr weit entfernt ist von der materialspezifischen Grenze. Allerdings gilt hier: Ein höherer Wirkungsgrad macht den Sonnenstrom nur dann billiger, wenn die Fertigungskosten nicht in gleichem Maß steigen. Stand: 06/2020 2020 Maier Alemannenschule-Wutoeschingen.de Seite: 6 6