Was sind photovoltaische Zellen und wie sie funktionieren

Solarzellen sind das Grundelement für die Stromerzeugung. Entdecken Sie welche Eigenschaften diese haben und wie sie funktionieren

Eine Photovoltaikanlage besteht aus einer Reihe von Solarmodulen, die in Reihe oder parallel geschaltet werden. Die Solarzellen ist die kleinste Einheit innerhalb eines Solarmoduls, somit besteht ein Solarmodul aus vielen einzelnen Solarzellen.

Entdecken wir, welche die grundlegenden Elemente einer Photovoltaikanlage sind und wie diese funktionieren.

Die Planung einer Photovoltaikanlage ist oft ein heikler Vorgang, der mit besonderer Sorgfalt und Aufmerksamkeit durchgeführt werden muss. Um Fehler zu vermeiden, die sich erst nach der Installation der Anlage herausstellen könnten, empfehlen wir Ihnen sich auf eine leistungsfähige Software für die Photovoltaikplanung zu  verlassen, um die PV-Anlage auf sichere und geführte Weise zu planen.

Definition von Solarzellen

Photovoltaikzellen oder Solarzellen sind elektrische Bauelemente, die Strahlungsenergie durch Sonnenlicht erzeugen. Solarzellen können aus verschiedenen Materialien bestehen; der am häufigsten verwendete und leistungsfähigste Halbleiter ist Silizium.

Silizium hat eine wichtige Eigenschaft: Ein Minimum an Energie genügt, damit Valenzelektronen zur Erzeugung von elektrischen Strom genutzt werden können.

Um den Übergang von Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband zu nutzen, wird eine Dotierung vorgenommen, bei der Fremdatomen in den Halbleiter eingebracht werden: Bor für die negative Ladungsträger und Phosphor für die positive Ladung.

Tetravalent Silicon Doping

Nach der Erstarrung werden diese Systeme durch eine neutrale Verbindung nahe beieinander angeordnet, ein positiver Teil mit dem negativen wobei an der Stelle, an der die Verbindung besteht, eine Nullladung liegt. Mit diesem Mechanismus wird ein System geschaffen, das auf der einen Seite positiv und auf der anderen Seite negativ geladen ist, wodurch eine Batterie entsteht.

Arten von Solarzellen

Man unterscheidet Solarzellen nach:

• monokristalline;
• polykristalline;
• und amorphe Solarzellen.

Arten von Solarzellen

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzigen Kristall, der in die gleiche Richtung ausgerichtet ist. Diese Eigenschaft ermöglicht es, die Sonnenenergie, die die Solarzelle aufnehmen kann, optimal zu nutzen. Die Färbung der Solarzellen ist dunkelblau bis schwarz.

Das Verfahren zur Herstellung der monokristallinen Zellen ist das Czochralski-Verfahren. Es handelt sich um einen Prozess in dem ein Keim (z. B. kleines Einkristall) in der zu züchtenden Substanz eingetaucht wird. Durch Drehen und langsames Nach-oben-ziehen – ohne dass der Kontakt zu der Schmelze abreißt – wächst das erstarrende Material zu einem Einkristall, der das Kristallgitter des Keims fortsetzt.

Monokristalline Solarzellen

Am Ende des Prozesses sind alle Kristalle gleichmäßig ausgerichtet, so dass sie zu einem Monokristall zusammenwachsen und einen Siliziumblock (Ingot) bilden.

Es handelt sich dabei um die Grundstruktur; dieser Kristall wird später mit Bor oder Phosphor positiv oder negativ dotiert.

Der erhaltene Siliziumblock (Ingot) wird in hauchdünne Scheiben (Wafer) ca. von einigen hundert Mikrometern geschnitten, d.h. einem Tausendstel Millimeter. Es ist ein grundlegender Wert zu berücksichtigen, denn je dünner diese sind desto höher ist die Effizienz der Solarzelle.

Siliziumblock (Ingot)

Sobald die positiven und negativen Wafer erstellt wurden, werden sie auf eine Ebene gelegt, wodurch die photovoltaische Zelle entsteht..

Polykristalline photovoltaische Solarzelle

Die polykristallinen Solarzellen werden aus den Abfällen der Elektronikindustrie gewonnen; sie bestehen aus mehreren Kristallen und ihre typische Färbung ist ein schillernden Blaus.

Polykristalline Solarzelle

In diesem Fall erfolgt die Kühlung in einem Thermostatbad, unidirektional von unten nach oben. Dabei wachsen die Siliziumkristalle nach oben. Der Prozess verläuft langsam, aber schneller als beim Verfahren der monokristallinen Solarzellen.

Die schnelle Herstellung hat sowohl energetische als auch wirtschaftliche Vorteile: Der hergestellte Ingot hat niedrigere Produktionskosten, aber die Ausrichtung des Kristalls ist unordentlicher und ermöglicht keine vollständige Nutzung der einfallenden Sonnenenergie.

Der letzte Prozess beinhaltet die Ablagerung von Metallfilamenten, um die Elektronen auf dem negativ geladenen Teil zu sammeln, aus dem dann die verschiedenen Module erstellt werden.

Detail der polykristallinen Solarzelle

Amorphe photovoltaische Zellen

Amorphe Solarzellen verfügen über eine ungeordnete und nicht kristalline Struktur. Die Struktur des amorphen Siliziums kann für die Herstellung von Dünnschicht-Solarmodulen genutzt werden, d. h. für die Herstellung von Elementen mit sehr feinen Scheiben, die an nicht vollkommen ebene Oberflächen angepasst werden.

Diese werden in Architektur, der Stadtmöblierung oder als Strukturelemente von Gebäuden verwendet.

Das Verfahren zur Herstellung einer amorphen Zelle ist einfach und unkompliziert: Auf einem Trägermaterial (Glas oder Metall) werden mit Hilfe einer geeigneten Technologie (Sputtern oder Aufdampfen) mehrere Materialschichten abgeschieden, wobei zwei dieser Schichten (die äußerste) zu Leitungselektroden werden, während die innere Schicht den Übergang der photovoltaischen Zelle bildet.

Bei diesem Verfahren werden hauptsächlich die Triple Junction–Technologie und die Cadmium-Tellurid/Cadmium-Sulfid (CTS) -Technologie eingesetzt.

Amorphe photovoltaische Zelle

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Um eine Photovoltaikzelle energieeffizient zu machen, muss sie mit zwei Messgeräten verbunden werden, dem Amperemeter, das den elektrischen Strom misst, und dem Voltmeter, das die Spannung misst.

In einem Stromkreis werden die beiden Geräte parallel geschaltet, um zu verhindern, dass das Amperemeter den elektrischen Widerstand im Voltmeter selbst misst, und um sicherzustellen, dass die Leistung der Zelle unabhängig von externen Systemen gemessen wird.

Im Inneren des Stromkreises befindet sich auch eine elektrische Last, welche die Leistung der Solarzelle beeinflusst: Je nach Last variieren sowohl die Stärke als auch die Spannung des erzeugten elektrischen Stroms.

Photovoltaische Zelle

Je nach eingespeister Last kann auch zwischen geschlossenem und offenem Stromkreis unterschieden werden. Mit diesen beiden Bedingungen sind zwei Referenzwerte verbunden, die dazu dienen, die Leistung der Solarzelle zu verstehen.

Für den offenen Stromkreis wird im Amperemeter kein Strom gemessen, da kein elektrischer Kontakt besteht, während die Spannung den maximalen Wert aufweist, den die Solarzelle erzeugen kann. Dieser Wert wird als Leerlaufspannung (_VOC – Open-Circuit Voltage) bezeichnet.

Im geschlossenen Stromkreis ist die Last minimal und der Strom maximal, da er umgekehrt proportional zur elektrischen Last ist. Der maximale Strom, der in diesen Fällen erzeugt werden kann, wird als Kurzschlussstrom (_Isc) bezeichnet; diesem Strom ist eine Nullspannung zugeordnet.

Wenn man diese Werte in ein U-I-Diagramm (Stromspannungs-Kurve), einer Photovoltaikzelle einträgt, kann man den Wirkungsgrad dieser und damit eines Solarmoduls anhand von 4 grundlegenden Parametern verstehen:

• Spitzenintensität;
• Spitzenspannung;
• Spitzenleistung;
• Füllfaktor.

Genauer gesagt, werden die Spannungswerte auf den Abszissen und die elektrischen Intensitätswerte auf den Ordinaten angeordnet.

Füllfaktor

Funktionsweise der Solarzellen je nach Layout

Solarzellen sind Dioden und verhalten sich wie Batterien. Sie können in Reihe oder parallel geschaltet werden. Die Reihenschaltung, die durch die Verbindung der positiven Seite einer Zelle mit der negativen Seite einer anderen Solarzelle erreicht wird, erzeugt eine doppelte Spannung (Summe der beiden), während die elektrische Intensität konstant bleibt.

Dasselbe gilt für die amperometrische Kurve: Wenn Solarzellen in Reihe geschaltet werden, erhöht sich die Abszisse (Spannung).

Um hingegen die Stromstärke zu variieren, müssen Solarzellen parallel geschaltet werden; auf diese Weise erhält man durch die Verbindung von positiven Elektroden mit positiven Elektroden und von negativen Elektroden mit negativen Elektroden eine konstante Spannung, während die Stromstärke zunimmt und sich die amperometrische Kurve nach oben verschiebt.

Photovoltaische Zellen werden auch von der Temperatur beeinflusst, was ihre Leistung beeinträchtigen kann. Insbesondere wenn die Temperatur bestimmte Werte erreicht, kommt es zu einem starken Spannungsabfall. Hohe Temperaturen können die Effizienz der Bindungen und der Leistung beeinträchtigen.

Auch bei der Veränderung der einfallenden Sonnenstrahlung kommt es zu einer Kurvenänderung. Insbesondere bei abnehmender einfallender Sonneneinstrahlung nimmt die elektrische Intensität deutlich ab und die Kurve neigt dazu, sich abzuflachen, während sich die Spannungswerte nicht wesentlich ändern.

Daher ist es unerlässlich, sich bei den Analysen vor der Installation von Photovoltaikmodulen auf konkrete Klimadaten zu beziehen, die aus einen Solaratlas oder Feldmessungen gewonnen werden, eventuell unter Verwendung einer speziellen Solar Design Software, die Ihnen reale Sonneneinstrahlungsdaten aus den wichtigsten Referenzklimadatenbanken liefert.

Solarzellen in Photovoltaikmodulen

Die Photovoltaische Zellen werden zu Modulen verbunden und bilden so die Solarmodule, die wiederum miteinander verbunden werden und die Photovoltaikanlage bilden. Bei dieser Verbindung können die Paneele in verschiedenen Strings und PV-Modulen angeordnet werden und je nachdem, wie sie miteinander verbunden sind, an Intensität oder Spannung zunehmen.

Solarzellen: Konfiguration 2 Strings und 3 PV-Modulen

Solarzellen: Konfiguration 3 Strings und 2 PV-Modulen

Sobald die zu installierende Leistung festgelegt ist, kann man sich dafür entscheiden, sie mit einer variablen Anzahl von PV-Modulen zu erzeugen. Die Wahl der Anordnung und Leistung kann in Abhängigkeit von dem Wert der Sonneneinstrahlung des Standortes und der Exposition des PV-Moduls bestimmt werden.

Auch hier ist eine Solar Design Software nützlich, die Sie bei der Auswahl der richtigen Anzahl von PV-Modulen gemäß den festgelegten Entwurfskriterien unterstützt, um die jährliche Produktion oder den Stromertrag zu maximieren.

Eine solche Software verfügt über spezielle Bibliotheken für PV-Module, Wechselrichter, Speichersysteme und Photovoltaikkomponenten, die für eine korrekte Planung unerlässlich sind.