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Photovoltaikzellen: wie sie funktionieren


Photovoltaikzellen: wie sie funktionieren und wie sie hergestellt werden. Wir zeigen Ihnen, wie eine Solarzelle auf Siliziumbasis funktioniert.

DasPhotovoltaik-ZellenSie können Sonnenstrahlung in Elektrizität umwandeln. Das ist jetzt allen klar ... ja, aber wie machen sie das? Die Antwort liegt in der Struktur derSolarzelleaber bevor wir hineingehen und sehenwie eine Photovoltaikzelle funktioniertWir geben Ihnen die Grundlagen.

Vom Licht zur Elektrizität

Es ist wichtig, das Konzept des "Lichts" zu verstehen. Licht hat eine korpuskuläre Natur und eine Wellennatur. Zur Vereinfachung werden wir Ihnen sagen, dass es aus Photonen besteht. Jedes Photon ist daher das Elementarteilchen, das Licht bildet. Um die energetische Kraft des Lichts zu verstehen, laden wir Sie ein, unseren Artikel "Mikrowelle, wie es funktioniert" zu lesen. Das werden Sie sehenEnergiemengeDas von einem Photon enthaltene hängt von der Wellenlänge der Sonnenstrahlung ab.

Bedenken Sie, dass ein Photon bei 260 nm durch eine Energie von 4,8 Elektronenvolt gekennzeichnet ist. Hier kommt die Energie her, die in Elektrizität umgewandelt wird. Wie kommt es zu dieser Transformation? Wir fahren Schritt für Schritt fort.

Photovoltaikzelle: wie sie hergestellt wird

Die Photovoltaikzelle besteht aus Silizium: Dieses Halbleitermaterial kann die Energie der Sonnenstrahlung (Licht) in Elektrizität umwandeln.

Reines Silizium enthält 4 Valenzelektronen. Für die Herstellung von Solarzellen wird es "dotiert", um einen geordneten Durchgang von Elektronen zu ermöglichen.

Das "dotierte Silizium" enthält "Verunreinigungen", die die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters modifizieren können. Durch Einführung von Phosphoratomen wird die Bildung von Silizium vom n-Typ erhalten (gekennzeichnet durch eine hohe Dichte an freien Elektronen). Durch Einbringen von Boratomen wird die Bildung von Silizium vom p-Typ erhalten (die freien Ladungen sind positiv, sogenannte Löcher).

Das so behandelte Silizium hat eine Zone P und eine Zone N, die durch eine Übergangszone getrennt sind, die als "Entleeren" oder Raumladung bekannt ist. Elektronen aus der n-Zone diffundieren in die p-Zone, so dass das N-Silizium positiv geladen ist, während der p-Typ negativ geladen ist.

Der Ladungsdurchgang erfolgt gemäß der Konvention: von positiver zu negativer Ladung.

Photovoltaikzelle: wie es funktioniert

Es sei angenommen, dass die Zone n und die Zone p eine Größe von einigen Mikrometern haben und zwischen diesen beiden Zonen die Raumladung angeordnet ist. Die Raumladung hält Zonen mit sich bewegenden Ladungen getrennt.

Auf diese Weise stehen die Gebühren für dieLeitung von Elektrizität.

Wenn ein Photon auf dieses System "trifft", werden "Elektron-Loch" -Paare sowohl in der n- als auch in der p-Zone erhalten. Dieses Phänomen wird gesagtphotoelektrischer Effekt. Die Behandlung von Silizium (Dotierung) bewirkt, dass sich die Photoelektronen in Richtung der n-Zone (positiver Pol des erzeugten elektrischen Feldes) bewegen, während die Löcher (positive Ladungen) in Richtung der p-Zone (negativer Pol des elektrischen Feldes) gehen.

Zusammenfassend:
In der Photovoltaikzelle besteht ein enger Kontakt zwischen zwei Siliziumschichten, einer vom Typ p und einer vom Typ n. Diese beiden Schichten sind mit einem pn-Übergang oder einem Entleerungsbereich durchsetzt, in diesem Bereich bildet sich astarkes elektromagnetisches Feld. All dies ist nur wenige Mikrometer groß.

Betrieb der Photovoltaik

Sonnenlicht "bombardiert" den modifizierten Halbleiter. Die positiven und negativen elektrischen Ladungen, zphotovoltaischer Effektsind vom elektrischen Feld getrennt. Es bildet sich eine Potentialdifferenz, die zur Zirkulation von führtaktuell: Der Strom ist umso größer, je mehr einfallendes Licht vorhanden ist. Dies gilt bis zu einem gewissen Punkt aufgrund eines Sättigungsphänomens: Die überschüssige Energie von Photonen erzeugt nicht immer elektrischen Strom, sondern wird in der Wärme im Inneren abgeführtSolarzelle.

Die Effizienz von a Solarzellewird durch mehrere Faktoren gegeben. Neben der "Decke" der Lichtenergie, die eine Solarzelle aufnehmen kann, bevor sie in Form von Wärme abgeführt wird, gibt es noch andere Faktoren, die aPhotovoltaikzellemehr oder weniger effizient.

Um den Photovoltaikeffekt auslösen zu können, muss jedes Photon eine bestimmte Energiemenge haben. Der Mindestwert, der zum Auslösen des Photovoltaikeffekts erforderlich ist, hängt vom Material ab, aus dem die Zelle besteht.

Nur ein Teil der Energie, die das Photon auf das Elektron der Solarzelle überträgt, wird in Elektrizität umgewandelt.

Darüber hinaus sind nicht alle Elektron-Loch-Paare durch den n-p-Übergang getrennt, ein Teil wird innerhalb der Zelle rekombiniert, was nicht zur Erzeugung des elektrischen Potentials beiträgt.

Wie elektrischer Strom mit einer Solarzelle erzeugt wird

Um elektrischen Strom zu erzeugen, müssen die im Leitungsband zirkulierenden Ladungen die Metallkontakte erreichen.

Wenn die Lichtenergie auf die Solarzelle trifft, verhalten sich die Elektron-Loch-Paare im n-np-p-Übergangskompartiment ähnlich wie in einer Diode mit einem parallelen Stromgenerator.


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