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Technik kurz erklärt Die Entwicklung der Solarzelle

| Autor: M.A. Bernhard Richter

In unserer Serie „Technik kurz erklärt“ stellen wir jede Woche ein Meisterwerk der Konstruktion vor. Heute: Die Solarzelle

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Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln – Photovoltaikmodule machen es möglich. Wie genau das geht, erklären wir Ihnen.
Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln – Photovoltaikmodule machen es möglich. Wie genau das geht, erklären wir Ihnen.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln – der photovoltaische Effekt wurde zunächst vom französischen Physiker Edmond Becquerel experimentell nachgewiesen. Im Jahr 1839 gab der 19-Jährige im Labor seines Vaters Silberchlorid in eine saure Lösung und beleuchtete sie, während Platinelektroden angeschlossen waren, wodurch Spannung und Strom erzeugt wurden.

Mit Selen und Gold zu Strom

Auf Grundlage des Becquerel-Effekts entwickelte Charles Fritts 45 Jahre später die erste Solarzelle. Sie bestand aus einer Selenschicht, die von einer dünnen Lage Gold bedeckt wurde. Sie hatte einen Wirkungsgrad von sage und schreibe 1%. Lange Zeit wurde das Phänomen deswegen nur in Photodioden genutzt.

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In Rauchmeldern, Lichtmessern oder Infrarotempfänger taten sie zunächst ihren Dienst, bis 1958 ein größeres Exemplar mit dem Satelliten Vanguard 1 ins All geschossen wurde. An Bord lieferte die Solarzelle sieben Jahre lang genug Energie, um Daten zur Erde zu senden.

Hauptenergiequelle im All

In den 1960er Jahren gab es allmählich Verbesserungen. Die Raumfahrt war bis dato die einzige Branche, die Nutzen aus den bestmöglichen und dadurch teuren Zellen zog und war bereit, dafür viel Geld zu zahlen. Es bestand kein Grund, in kostengünstigere, weniger effiziente Lösungen zu investieren.

Erst der Übergang von Elektronenröhren hin zu integrierten Schaltkreisen in den 1960er Jahren führte dazu, dass – dank der Halbleiterindustrie – größere Kristall-Ingots zu niedrigeren Preisen verfügbar waren. Als deren Preis fiel, fiel auch der Preis der daraus hergestellten Solarzellen. Dies senkte die Zellkosten von 1971 auf etwa 100 Dollar pro Watt

Die Preise fallen und fallen

Seit 1977 fiel der Preis pro Watt von 76 US-Dollar auf 0,30 US-Dollar im Jahr 2015. Heute sind Solarzellen die Hauptenergiequelle von Satelliten und Sonden, da sie das beste Energie-/Gewichtsverhältnis bieten. Photovoltaik wächst am schnellsten in Asien, wobei China und Japan derzeit die Hälfte des weltweiten Einsatzes ausmachen. Die weltweit installierte Kapazität erreichte 2016 rund 301 GW und wuchs bis 2016 auf 1,3 % der globalen Stromversorgung an.

Auch die Effizienz steigt: Forscher des Fraunhofer ISE erreichten einen Wirkungsgrad von 46 % – womit Solarzellen heute effizienter sind als Pflanzen.

Wie funktionieren Solarzellen?

Photonen des Sonnenlichts treffen auf das Solarpanel und werden von Halbleitermaterialien absorbiert. Dabei werden die Elektronen angeregt. Einmal angeregt, kann ein Elektron entweder die Energie als Wärme ableiten und in sein Atom-Orbital zurückkehren oder durch die PV-Zelle wandern, bis es eine Elektrode erreicht. Strom fließt dann durch das Material.

Die chemischen Bindungen des Materials sind für die Funktion dieses Prozesses von entscheidender Bedeutung, und normalerweise wird Silizium in zwei Schichten verwendet, wobei eine Schicht mit Bor und die andere mit Phosphor dotiert ist. Diese Schichten haben unterschiedliche chemische elektrische Ladungen und treiben und lenken anschließend den Strom.

In Reihe geschaltete Solarzellen wandeln Sonnenenergie in eine nutzbare Menge Gleichstrom um, den ein Wechselrichter dann in Wechselstrom umwandelt.

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Über den Autor

M.A. Bernhard Richter

M.A. Bernhard Richter

Redakteur Online/Print/Video, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht