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Solarzelle,

 

Vorrichtung zur Direktumwandlung elektromagnetischer Strahlungsenergie in leitergeführte elektrische Energie (Direktwandler) für die Energieversorgung elektrischer Verbraucher. Solarzellen sind Photoelemente, deren Eigenschaften speziell auf das elektromagnetische Spektrum der Sonne abgestimmt sind. Die Erzeugung elektrischer Energie mithilfe von Solarzellen und auch deren Entwicklung, Fertigung und Einsatz werden zusammenfassend als Photovoltaik bezeichnet, einschließlich der damit befassten naturwissenschaftlich-technischen Fachgebiete. Wichtige Beiträge in Forschung und Entwicklung werden v. a. von der Halbleiterphysik und von der Festkörperchemie geleistet.

 

Die Umwandlung der Strahlungs- in elektrische Energie in den Solarzelle beruht auf dem inneren Photoeffekt im Halbleitermaterial, d. h. der Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren durch die Absorption von Photonen und die Trennung der negativen und positiven Ladungsträger in einem p-n-Übergang oder einem Schottky-Kontakt. Die so erzeugte Photospannung kann in einem äußeren Stromkreis einen Photostrom treiben, durch den eine Solarzelle ihre Leistung abgibt. Der Zusammenhang zwischen Strom I und Spannung U kann in einem Strom-Spannungs-Diagramm als Kennlinie dargestellt werden. Deren Schnittpunkte mit der Spannungsachse (I = 0) und mit der Stromachse (U = 0) sind die Leerlaufspannung U_L beziehungsweise der Kurzschlussstrom I_K; Letzterer entspricht der zeitlichen Erzeugungsrate der Ladungsträger. In einem Arbeitspunkt A der Solarzelle beziehungsweise ihrer Kennlinie wird der Solarzelle die Leistung P_A = I_AU_A entnommen. Beim Betrieb versucht man, den Arbeitspunkt so zu legen, dass die Leistung maximal wird, P_m = I_mU_m. Die maximale Leistung kann umso größer sein, je näher der Kennlinienverlauf einem rechten Winkel kommt; idealerweise wäre sie dann I_KU_L. Der Füllfaktor F = P_m/I_KU_L ist daher ein geeignetes Gütemaß für Solarzellen. Der Wirkungsgrad w einer Solarzelle ist der Quotient aus maximal abgegebener elektrischer Leistung und dafür aufgenommener Strahlungsleistung P_S, also w = P_m/P_S = F I_KU_L/P_S. Um einen möglichst großen Wirkungsgrad zu erzielen, müssen F, I_K und U_L optimiert werden, wobei das Erstreben großer Werte für I_K und großer Werte für U_L miteinander konkurrieren: Großes I_K erfordert einen kleinen Bandabstand ΔE des Halbleiters (Bändermodell), weil nur dann auch niederenergetische Photonen Elektron-Loch-Paare erzeugen können, aber ΔE /e (e Elementarladung) ist die obere Schranke der Leerlaufspannung U_L. Beim praktischen Betrieb treten außerdem Verlustleistungen auf, u. a. durch Spannungsabfall in der Solarzelle selbst und durch Verlustströme (Serien- beziehungsweise Parallelwiderstand im Ersatzschaltbild).

 

Als Halbleitermaterial für Solarzellen wird v. a. einkristallines, polykristallines und amorphes Silicium verwendet. Die Solarzellen werden aus Einkristallscheiben geschnitten oder in Form von Dünnschichtzellen als Bänder oder Folien gegossen. Die elektrischen Kontakte werden aufgedampft oder siebgedruckt. Zu Wirkungsgrad und Anwendung von Solarzellen erneuerbare Energien.

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

 

Photovoltaikanlagen: Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie

 

erneuerbare Energien: Nutzung der Sonnenenergie

 

Solarzelle,

 

ein Halbleiter-Bauelement zur direkten Gewinnung von elektrischer Energie aus Licht. Solarzellen zählen zu den Fotoelementen. In einer Solarzelle entsteht durch Einstrahlung von Licht eine elektrische Spannung, die z. B. zur Versorgung von kleinen LCDs, wie sie in Taschenrechnern oder Digitaluhren eingesetzt werden, dienen kann.