Wie entsteht Strom aus Sonnenlicht?

In Solarzellen löst Sonnenlicht Elektronen aus einem Halbleiter-Material heraus und führt so zur Trennung von elektrischen Ladungen. Dies bewirkt eine elektrische Spannung – wenn sich diese über einen Strumkreis ausgleichen können, fliesst elektrischer Strom.

Photovoltaikanlage auf dem Gründach der Messe Basel
Photovoltaikanlage auf dem Gründach der Messe Basel. Die Anlage produziert eine jährliche Strommenge von 220 000 kWh. Bild: Schweizer Mustermesse

Jährlich erhalten wir von der Sonne rund 15 000 Mal mehr Energie zugeschickt, als wir Menschen insgesamt verbrauchen. Die Sonnenenergie wird daher für unsere künftige Energieversorgung eine grosse Bedeutung haben. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Photovoltaik, kann sie doch das Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln.

Das Kernstück einer Photovoltaikanlage sind die Solarzellen, die aus einem Halbleitermaterial bestehen. Halbleiter sind Stoffe, die nicht eindeutig elektrische Leiter oder Isolatoren sind und deren Verhalten durch Zugabe von chemischen Elementen gezielt beeinflusst werden kann. Die meisten Solarzellen, die heute in Betrieb sind, nutzen Silizium als Halbleitermaterial. Daneben gibt es aber auch andere Verbindungen wie Cadmiumtellurid (CdTe) oder Legierungen aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen, welche eine immer grössere Bedeutung bei der solaren Energiegewinnung erlangen.

Gegensätzliche Schichten

Eine Silizium-Solarzelle besteht aus zwei Schichten: Die obere Schicht enthält neben dem Silizium noch etwas Phosphor. Da Phosphor mit fünf Elektronen eine Bindung eingehen kann, Silizium hingegen nur mit vier, bleibt bei jedem Phosphoratom ein negativ geladenes Elektron übrig, das sich frei bewegen kann. Man nennt diese Schicht daher n-Schicht. Die untere Siliziumschicht, p-Schicht genannt, enthält hingegen etwas Bor. Da Bor nur drei Elektronen besitzt, die mit Silizium eine Bindung eingehen können, entstehen in dieser Schicht sogenannte Elektronenlöcher. Beide Siliziumschichten für sich alleine genommen elektrisch neutral.

Entscheidend ist nun der Übergang zwischen n-Schicht und p-Schicht: Direkt an der Grenze wandern freie Elektronen aus der n-Schicht in die p-Schicht und füllen dort die Elektronenlöcher. In einem dünnen Bereich sind die beiden Schichten nun nicht mehr elektrisch neutral – es entsteht ein elektrisches Feld.

Schematische Darstellung einer Fotovoltaikanlage auf einem Einfamilienhaus

Schematische Darstellung einer Fotovoltaikanlage auf einem Einfamilienhaus. Hier kannst du die Abbildung in hoher Auflösung als PDF herunterladen. Bild: Agentur für Erneuerbare Energien

Licht befreit Elektronen

Fällt nun Sonnenlicht auf die Solarzelle, verändert sich die Situation: Die Lichtstrahlen lösen aus den Bindungen zwischen den Siliziumatomen Elektronen heraus, die sich nun frei bewegen können. Diejenigen Elektronen, die in der Grenzschicht herausgelöst werden, wandern nun wegen des elektrischen Feldes in die n-Schicht. Diese wird dadurch negativ aufgeladen, während die p-Schicht positiv geladen wird. Zwischen den beiden Schichten entsteht eine Spannung, die umso grösser ist, je stärker die Sonne scheint. Verbindet man die beiden Schichten über einen Stromkreis, können die überschüssigen Elektronen von der n-Schicht zurück in die p-Schicht wandern – es fliesst ein Gleichstrom, den man nutzen kann.

Damit solche Solarzellen tatsächlich für die Stromerzeugung genutzt werden können, braucht es noch einige zusätzliche Elemente: Die Solarzellen müssen in einen Rahmen eingebettet und mit einem Glas abgedeckt werden, damit sie vor Witterungseinflüssen geschützt sind. Dazu kommt eine Hauptschaltung, welche die Ströme der einzelnen Solarzellen zusammenführt. Und schliesslich muss der Gleichstrom in einem Wechselrichter noch in Wechselstrom umgewandelt werden, damit er in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann.

Text: SATW/Felix Würsten
Quelle: Technoscope 1/11: Intelligente Häuser
Technoscope ist das Technikmagazin der SATW für Jugendliche

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