Eine Solarzelle wandelt die Energie von Sonnenstrahlen in elektrische Energie um. Sonnenstrahlen kann man sich als ganz viele Lichtteilchen vorstellen, die man auch Photonen nennt. Jedes Photon entspricht einer kleinen Energieportion. Wenn die Photonen der Sonnenstrahlen auf eine Solarzelle treffen, werden sie von der Solarzelle aufgenommen (absorbiert). Die Photonen geben dabei ihre Energie an die Atome der Solarzelle ab. Normalerweise führt so eine Energieübertragung einfach nur zu einer Erwärmung des Stoffes, ähnlich wie bei einem Auto das in der Sonne steht. Aufgabe der Solarzelle ist es, die übertragene Energie nutzbar zu machen.

 

Aufbau einer Solarzelle

4 - Funktionsprinzip - Funktion der Solarzelle 0Solarzellen bestehen meistens aus Silicium. Genau betrachtet bestehen sie aus zwei übereinanderliegenden Siliciumschichten, die unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben (im Bild blau und grün dargestellt). Oberhalb und unterhalb dieser beiden Schichten sind Metallkontakte angebracht, über die die Solarzelle später in einen Stromkreis eingebaut werden kann. Der obere Kontakt entspricht dem Minuspol der Solarzelle, der untere dem Pluspol.

 

Frei bewegliche Elektronen

4 - Funktionsprinzip - Funktion der Solarzelle 1Wenn Photonen auf die Solarzelle treffen, durchdringen sie die obere Siliciumschicht, die nur sehr dünn ist. Hier geben sie ihre Energie ab, wodurch sich manche Elektronen von den Silicium-Atomen loslösen. Diese negativ geladenen Elektronen besitzen jetzt die Energie der Photonen. Sie sind nun frei beweglich. Bei den Atomen haben die Elektronen jedoch eine Lücke hinterlassen. Weil hier eine negative Ladung fehlt, sind diese Atome positiv geladen. Sie ziehen die negativ geladenen Elektronen an. Unter normalen Umständen würden die Elektronen also gleich wieder fest gebunden werden. Das muss verhindert werden, weil man die getrennten Ladungen benötigt, um elektrischen Strom zu erzeugen. Nur dann kann die von den Photonen auf die Elektronen übertragene Energie genutzt werden.

 

Trennung von Elektronen und Lücken

Damit die Elektronen nicht gleich wieder zurück auf ihre Plätze können, müsste ihnen irgendwie der Weg versperrt werden. So wären sie gezwungen, in einem geschlossen Stromkreis den Weg außen herum durch die Leitungen zu nehmen.

4 - Funktionsprinzip - Funktion der Solarzelle 2Die Lösung liefern die zwei Siliciumschichten (im Bild blau und grün dargestellt). Diese wurden bereits so bearbeitet, dass sie unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben (>> mehr). Zwischen den beiden Siliciumschichten besteht ein elektrisches Feld. Dieses vorhandene elektrische Feld sorgt dafür, dass die frei beweglichen Elektronen in die obere Siliciumschicht gezogen werden. Die Lücken, die die Elektronen bei den Atomen hinterlassen haben, verbleiben in der unteren Siliciumschicht. (>> mehr)

 

Der Stromkreis wird geschlossen

Die Elektronen, die in die obere Schicht der Solarzelle gezogen wurden, können von dort nicht direkt wieder zurück nach unten. Es wird ein geschlossener Stromkreis benötigt, damit die Elektronen durch die Leitungen hindurch fließen können und die Lücken wieder schließen. Durch die Bewegung der Elektronen fließt nun elektrischer Strom. Baut man in den geschlossenen Stromkreis noch einen Verbraucher ein, z.B. eine Lampe, werden die Elektronen durch ihn abgebremst. Die Energie der Elektronen wird somit genutzt (die Lampe leuchtet).

 

4 - Funktionsprinzip - Funktion der Solarzelle komplett
 

Solarzellen wandeln Sonnenstrahlen (Photonen) in elektrische Energie um. Wenn Photonen auf eine Solarzelle treffen, werden sie absorbiert und übergeben dabei ihre Energie. Dadurch lösen sich Elektronen aus ihren Bindungen. Die Solarzelle ist so gebaut, dass die Elektronen nach oben gezogen werden und von dort aus nicht einfach wieder zurück auf ihre Plätze können. Sie sind gezwungen durch die Leitungen außen herum zufließen.

 

Quellen:
U. Aeschbacher, E. Huber, B. Seiler (2002): Vor wandernden Löchern wird gewarnt - Die Solarzelle laienfreundich erklären, Praxis der Naturwissenschaften/ Physik in der Schule, 2002,1/51
F. Kliche, I. Draeger (2009): Schulpacket Solarsupport – Grundschule und Mittelstufe, Unabhängiges Institut für Umweltfragen, Berlin
Transferstelle Bingen (2006): Rationelle und Regenerative Energienutzung, C.F. Müller Verlag, Heidelberg

K. Mertens (2013): Photovoltaik - Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis, 2. neu bearbeitete Auflage, Carl Hanser Verlag, München
H. Muckenfuß, V. Nordmeier (2007): Physik Interaktiv – Naturwissenschaftliches Arbeiten 1/2, Ausgabe für Baden-Württemberg, Cornelsen Verlag, Berlin
M. Barmeier, W. Bäurle, M. Bergau (2005): Prisma NWA Physik 4/5, Ausgabe für Baden-Württemberg, Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart

http://m.schuelerlexikon.de/mobile_physik/Elektrischer_Strom_und_seine_Wirkungen.htm

Simulation (Flash)

Wie funktioniert eine Solarzelle? (>> mehr)


Video (Flash)

Eine sehr vereinfachte Vorstellungsweise. (>> mehr)

Dauer:             1:29 Min

Herausgeber: ZDF tivi


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 4 - Funktionsprinzip - Solarzelle nah


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