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Zonnecel
Solarzellen als Energieversorgung an Auftrieb
Eine einzelne Solarzelle

EIN Solarzelle ist eine elektrische Zelle, die Lichtenergie in brauchbar umwandeln elektrische Energie.

Es gibt zwei Arten von Solarzellen. Das bekannteste ist die ganz feste Materie Photovoltaikzelle, die in vielen auf einmal montiert ist in Solarplatten. Das zweite ist das photoelektrochemische Zelle, die Sie finden können in photoelektrochemischeGeneratoren.

Geschichte

Der „Photovoltaik-Effekt“ wurde erstmals 1839 von dem französischen Physiker beobachtet Alexandre-Edmond Becquerel. Allerdings dauerte es erst 1883, als der amerikanische Wissenschaftler Charles Fritts nutzten dieses Phänomen, um die erste Solarzelle zu bauen. Die Solarzelle von Fritts wurde aus einem Halbleiter aufgebaut Selen mit einer hauchdünnen, transparenten Goldschicht überzogen. Seine Solarzelle konnte nur 1 Prozent des Lichts in Strom umwandeln. Anstatt wie Fritts selbst Energie zu erzeugen, wurde seine ineffiziente Solarzelle hauptsächlich in der Fotografie wenn Belichtungsmesser.[1][2]

Anschließend hat der russische Physiker Alexander Stoletov die erste Solarzelle nach dem Prinzip der photoelektrischer Effekt (früher im Jahr 1887 entdeckt von Heinrich Hertz) wo Licht direkt in Strom umgewandelt wird. Es war Albert Einstein der diesen Effekt erst 1905 erklären konnte, wofür er 1921 mit dem Nobelpreis für Physik wurde ausgezeichnet.

Die moderne Halbleitersolarzelle auf Basis von Silizium wurde 1941 von den Amerikanern patentiert Russell Ohli, dann gearbeitet bei Bell Labs.[3] Im Mai 1939 hatte er zufällig entdeckt, dass in einem Siliziumkristall beim Bestrahlen mit einer Schreibtischlampe spontan elektrischer Strom erzeugt wurde. Als Ursache stellte sich ein Riss im Kristall heraus, später die pn-Übergang erwähnt. Seine Pionierarbeit auf diesem Gebiet führte schließlich zur Erfindung des Transistor.

Aufbauend auf Ohls Arbeit wurde 1954 in Bell Labs eine effizientere Solarzelle entwickelt von Gerald Pearson, Calvin Fuller und Daryl Chapin. Durch die Verwendung von Silikon Spenden mit Arsen Sie bauten eine Solarzelle, die einen Wirkungsgrad von 4½ bis 6 Prozent erreichte.

Aufgrund der hohen Produktionskosten wurden Solarzellen zunächst nur für spezielle Anwendungen, vor allem in der Raumfahrt. So war der amerikanische Satellit Vorhut 1 1958 der erste, der mit einer 1-Watt-Solarzelle Funksignale aus dem Weltraum aussendete. Erst nach der Ölkrise wurde in den 1980er Jahren auf der Grundlage von Galliumarsenid (GaAs), Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 20 Prozent.

Elektronisches Gelenk

Beiden Zelltypen ist gemeinsam, dass sie a Kreuzung besitzen, das ist ein hinzufügen (oder Grenzfläche) zwischen zwei Materialien mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit. In einer feststehenden Photovoltaikzelle ist diese Verbindung eine Schnittstelle zwischen a p-Typ und ein n-TypHalbleiter. In einer nassen photoelektrochemischen Zelle ist es eine Grenzfläche zwischen einem Halbleiter und einem Ionenleiter, normalerweise einer Flüssigkeit Elektrolyt.

Die Ladungstrennung am pn-Übergang

Wenn ein Halbleiter Licht ausgesetzt wird, werden zusätzliche Ladungsträger gebildet, weil ein Elektron aus dem vollen Valenzband ins Leere Leitungsband wird mit der Energie eines eingefangenen . gefördert Photon: E=h oder anders geschrieben E=hf, wobei E das Photon (= Energie eines Lichtteilchens) ist, h das Plancksche Konstante und oder f de Frequenz des Lichts. Dadurch entsteht ein Loch im Valenzband h und ein Elektron e− im Leitungsband:

h ⇒ h e−

Dieser Prozess speichert (einen Teil) der Energie des Photons. Ohne Verbindung ist diese Speicherung nur von kurzer Dauer, da sich die beiden Ladungsträger schnell gegenseitig zerstören. Außerdem ist die Energie als Wärme kostenlos:

h e− ⇒ Hitze

Nach den Gesetzen der Thermodynamik dies ist ein großer Verlust, da Wärme immer nur begrenzt wieder in Arbeit umgewandelt werden kann. Daher ist es wichtig, diese gegenseitige Zerstörung so weit wie möglich zu begrenzen und die gespeicherte Energie anders zu nutzen.

Im Nahtbereich können die entstehenden Ladungsträger räumlich getrennt werden geschieden und der Zerstörungsprozess bleibt zurück. Dadurch steht die gespeicherte Energie als elektrische Arbeit statt als Wärme zur Verfügung. Im p-Teil sind die Energien der Bänder höher als im n-Teil. Das Ergebnis ist, dass die erzeugten Elektronen zum n-Teil gehen und die Löcher - wie eine Luftblase in einer mit Wasser gefüllten Röhre - in die andere Richtung gehen. Somit sammelt sich auf der einen Seite eine positive Ladung und auf der anderen eine negative Ladung. Werden beide Seiten von außen mit einem Metalldraht verbunden, fließt ein Strom. Die Solarzelle ist also a Energiequelle werden.

Ausbeute

Der Ertrag einer Solarzelle hängt von verschiedenen Faktoren ab, zum Beispiel:

  1. Die Breite der Reifenlücke, die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband
  2. Die Art der Energielücke: direkt oder indirekt
  3. Die freie Weglänge der Ladungsträger, insbesondere der Minoritätsladungsträger

Bei Nasszellen gibt es eine Reihe weiterer Faktoren:

  1. Die Lage der Energiebänder relativ zu den Redoxpaaren in Lösung
  2. Ob Korrosionsreaktionen fehlen oder nicht

Die Breite des Canyons

Um einen Ladungsträger in das höhere Band zu befördern, muss das Photon genug Energie haben, um die Energielücke zwischen den beiden Bändern zu überbrücken. Wenn die Breite der Lücke zwischen den beiden Bändern Eb ist, nur Photonen, für die E . giltPhoton=h Eb eine Chance haben, absorbiert zu werden. Bei Silizium sind dies Photonen im fast gesamten sichtbaren Bereich, da Eb ~ 1.1eV. Ein Photon im blauen Bereich des Sonnenspektrums hat somit mehr als die doppelte Energie, die für den Förderungsprozess benötigt wird. Dieser Überschuss geht jedoch sehr schnell verloren. Der resultierende Ladungsträger fällt schnell auf die Unterseite (oder Oberseite) des Bandes zurück. Der Energieüberschuss wird in Wärme umgewandelt. Als Ergebnis wird die gelieferte Spannung nie mehr als etwa 1,1 Volt betragen, aber der Strom ist relativ groß, da viele Photonen des Spektrums eingefangen werden. Bei einer größeren Lücke nimmt der Strom ab, aber die Spannung steigt. Da die abgegebene Leistung das Produkt V*I ist, muss man hier wählen oder teilen und es geht immer viel von der verfügbaren Energie des Lichts verloren, es sei denn, man Lichtschirm macht mit mehr als einer Lücke.

Indirekte und direkte Übergänge

Die obige Darstellung der Energiezustände in einem Valenz- und einem Leitungsband ist stark vereinfacht. In Wirklichkeit hängt die Breite der Lücke in einem Festkörper von der Richtung im Kristall ab. Fallen die Oberkante des besetzten Valenzbandes und die Unterkante des unbesetzten Leitungsbandes in die gleiche Richtung, spricht man von einer direkten Bandlücke. In diesem Fall beträgt die Lichtabsorption bei Erreichen des kritischen Wertes EPhoton = h = Eb sofort sehr stark und das ist vorteilhaft für den Ertrag. Schließlich wollen wir jedes Photon nutzen.

Fallen oben und unten nicht in die gleiche Richtung, sprechen wir von a indirekter Übergang. In diesem Fall muss der Übergang von einer Aufzeichnung bei der Ausstrahlung einer a . begleitet werden Phonon. Dies bedeutet nicht nur, dass Energie durch Schwingungen des Gitters (die schließlich in Wärme zerfallen) verschwendet wird, sondern auch, dass die Absorption oberhalb des kritischen Wertes, die Reifenkante aber nach und nach. So viele Photonen können ungehindert passieren. Silizium hat eine indirekte Lücke, und obwohl dieses Material weit verbreitet ist, weist es einen wichtigen Nachteil bei der Verwendung als Solarzelle auf.

Freie Straßenlänge

Die Ladungsträger müssen ein Stück weit fahren, bevor sie sich in einem sicheren Bereich befinden. Solange noch ein Minoritätsladungsträger (ein Loch in der n-Zone oder ein Elektron in der p-Zone) unterwegs ist, kann Rekombination und gegenseitige Zerstörung stattfinden. Daher ist es günstig, wenn die Ladungsträger eine hohe Mobilität aufweisen und unterwegs keine Kollisionen auftreten. Die Beweglichkeit hängt stark vom Material und seiner Gürtelstruktur ab. Die Kollisionsgefahr hängt unter anderem von Gitterfehlern, Korngrenzen und anderen Unregelmäßigkeiten im Gewebe ab. Je länger die freie Weglänge und je höher die Beweglichkeit, desto größer ist die Zone um das Gelenk herum, aus der Nutzenergie gewonnen werden kann.

Die Lage der Redoxpaare

In Nasszellen wird der austretende Minoritätsladungsträger an eine Spezies in Lösung weitergegeben, die reduziert oder oxidiert kann werden. Der geerntete Ladungsträger und seine Energie werden dann elektrochemisch gesichert. Eine p-Elektrode liefert Elektronen, die als starkes Reduktionsmittel wirken können, eine n-Elektrode ist ein starkes Oxidationsmittel.

Beim Redoxprozess geht jedoch Energie verloren, wenn die Kante des gekrümmten Bandes an der Stoßstelle nicht die richtige Energie erreicht. Idealerweise sollte diese Energie dem Redoxpotential der Redoxspezies in Lösung entsprechen, dies ist jedoch selten der Fall.

Fotokorrosion und das Lagerproblem

Elektrische Energie zu speichern ist nicht einfach. Die Lagerung ist oft mit großen Verlusten verbunden. Da die Sonne nicht ständig scheint, ist dies ein wichtiges Problem der Solarzelle. Dabei ist nicht nur der Tag-Nacht-Zyklus, sondern auch der Sommer-Winter-Zyklus und natürlich das Wetter zu berücksichtigen.

Nasszellen speichern chemisch Energie und dies löst sofort das Speicherproblem des zugeführten Stroms. Es hat jedoch auch eine negative Seite. Denn auch unerwünschte Reduktionen und Oxidationen können stattfinden, die beispielsweise das Halbleitermaterial selbst betreffen.

Aber auch Hybridsysteme sind denkbar (und implementiert). Beispielsweise ist es möglich, eine große Anzahl kleiner p/n-Si-Photovoltaikzellen in eine HBr-Lösung einzutauchen. Der zugeführte Strom elektrolysiert HBr zu Br2 und H2 die gesammelt und in a Brennstoffzelle wieder in HBr (Strom) umgewandelt werden. Ein solches (geschlossenes) System war bereits Anfang der 1980er Jahre bekannt.

Siehe auch

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