Fotovoltaik

Durch Fotovoltaik wird die Sonnenenergie direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Dies geschieht mithilfe von Solarzellen. Trifft Licht auf eine solche Fotozelle, werden Ladungsträger freigesetzt, die als Strom über leitende Kontakte zu einem angeschlossenen Verbraucher fließen.

Solarzellen erzeugen Gleichstrom. Dieser kann durch einen nachgeschalteten Wechselrichter in netztauglichen Wechselstrom umgewandelt werden. Da Solarzellen nur über eine Spannung von ca. 0,5 V verfügen und einen Strom von maximal 2 Ampère erzeugen können, müssen sie zu größeren Einheiten, sogenannten Solarmodulen, zusammengefasst werden. Solarzellen verhalten sich dabei wie normale Stromquellen. Werden sie in Reihe geschaltet, addieren sich die Ströme, werden sie parallel miteinander verbunden, addieren sich die Spannungen. Um eine gewünschte Gesamtleistung zu erhalten werden die Zellen für gewöhnlich in Gruppen sowohl parallel als auch in Reihe geschaltet zu Modulen vereint.

Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial, hauptsächlich Silizium, das auf der Ober- wie auf der Unterseite mit Fremdatomen verunreinigt (dotiert) wird. Dadurch entsteht eine obere, der Sonne zugewandte dünne negativ geladene Schicht, also eine Schicht mit Elektronenüberschuß und eine untere positiv geladene, mit Elektronenmangel. Im Grenzbereich zwischen beiden Schichten, dem pn-Übergang, gleichen sich die Ladungen aus. Es ist eine dünne, ladungsarme Zone, die beide Bereiche voneinander trennt.

An beiden Oberflächen der insgesamt nur ca: 0,3 mm dicken Solarzelle werden nun leitende Kontakte aufgebracht. Trifft Licht auf die Zelle, übertragen die eindringenden Lichtphotonen ihre Energie auf die überzähligen Elektronen der negativ dotieten oberen Schicht und lösen sie kurzzeitig aus dem Atomverband. Schließt man einen Verbraucher an die Solarzelle an, führt die bestehende Spannung dazu, dass die freigesetzten Ladungsträger durch den Kontakt als Strom von der negativen Schicht über den Verbraucher zur positiv geladenen Schicht gelangen. Die dort nun überschüssigen Elektronen durchdringen den pn-Übergang zurück in die Schicht, in der sie fehlen.