Wie funktionieren Solarbatterien?
2023.Aug
31
Einleitung
Auf der Erdoberfläche gibt es viel Energie: etwa 173.000 Terawatt. Wenn wir berechnen, wie viel Energie die gesamte Erdbevölkerung verbraucht, erhöht sich diese Zahl um mehr als das Zehntausendfache. Um die Sonnenenergie voll auszunutzen, schauen wir uns an, wie eine Solarzelle funktioniert. Und wie wird diese Energie in Strom umgewandelt?
So funktioniert eine Solarbatterie:
Eine Solarbatterie ist ein System, das aus einer Vielzahl zusammengehöriger Photovoltaikzellen besteht. Sie bestehen in der Regel aus Halbleitern, am häufigsten ist Silizium. In einer Batteriezelle befindet sich kristallines Silizium zwischen zwei Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit, wobei jedes Atom durch starke Bindungen mit vier benachbarten Schichten verbunden ist. Diese Verbindungen halten Elektronen und lassen keinen Strom fließen. So funktioniert eine Solarzelle: Elektronen gehen von einer Schicht mit Elektronenüberschuss (n-Typ) zu einer Schicht mit Defekten (p-Typ) über. Bei diesem Übergang nennen wir ihn einen pn-Übergang, eine Seite bildet eine positive Ladung und die andere negative Ladung auf einer Seite.
Sonnenlicht ist ein Strom winziger Teilchen, nämlich Photonen. Die Photonen kollidieren mit den Fotozellen, „stoßen“ die Elektronen aus ihrer Verbindungsstelle und hinterlassen an ihrer Stelle ein Loch. Aufgrund des elektrischen Feldeffekts des pn-Übergangs bewegen sich die negativ geladenen Elektronen in Richtung der positiv geladenen Löcher. Daher sammeln sich bewegliche Elektronen auf der Oberfläche der Batterie an. Anschließend fließen sie entlang des äußeren Stromkreises zur gegenüberliegenden Schicht und verrichten dabei gleichzeitig elektrische Arbeit.
Eine solche Fotozelle hat eine Leistung von 0,5 Watt. Durch die Kombination von Batterien zu Modulen kann die Leistung der Batterie erhöht werden, zum Beispiel reichen 12 Batterien aus, um ein Mobiltelefon aufzuladen. Wenn Sie natürlich das ganze Haus mit Strom versorgen möchten, benötigen Sie viele solcher Module. Solarzellen können jahrzehntelang funktionieren, da die einzigen beweglichen Elemente in ihrem Design Elektronen sind und sie immer wieder dorthin zurückkehren, wo sie herkommen, was bedeutet, dass nichts verschwendet oder abgenutzt wird.
(1) Diese Entscheidung wird nicht nur von der Politik, sondern auch von führenden Unternehmen beeinflusst. Darüber hinaus gibt es auch ein physikalisches Problem: Sonnenenergie kann nicht gleichmäßig auf der Erdoberfläche verteilt werden. Dies ist beispielsweise an bewölkten Tagen oder in der Nacht deutlich seltener der Fall. Das bedeutet, dass mehr Anstrengungen erforderlich sind, um effizientere Batterien herzustellen und die Infrastruktur zur Speicherung der erzeugten Energie zu schaffen.
(2) Die Wirksamkeit der Photovoltaikzelle selbst wirft noch viele Fragen auf. Wenn das Sonnenlicht nicht absorbiert wird, sondern von der Oberfläche der Zelle reflektiert wird oder wenn die Elektronen zu den Löchern zurückkehren, bevor sie den Stromkreis durchlaufen, geht die Energie des Photons verloren. Derzeit haben die effizientesten Zellen einen Wirkungsgrad von 46 %, und die meisten Fabriken sind weniger effizient – etwa 15–20 %.
Auf dem aktuellen Entwicklungsstand der Solartechnologie kann der Mensch die Welt immer noch mit Energie versorgen. Es geht lediglich um die Finanzierung, die Schaffung der nötigen Infrastruktur und die Suche nach ausreichend Platz. Für die Installation der Batterien wird nach vorläufigen Berechnungen eine Fläche von Hunderttausenden Quadratkilometern benötigt. Tatsächlich ist ein solches Gebiet jedoch schwer zu finden.
Hunderte Millionen Menschen auf der ganzen Welt, insbesondere in weniger entwickelten Ländern, haben keinen Zugang zu zuverlässiger Energie. In vielen dieser Länder gibt es tatsächlich reichlich Sonne. Daher wird Solarenergie an diesen Orten billiger und sicherer sein als alternative Energiequellen wie Kraftstoff.
Epilog
Jedes Jahr werden Solarmodule besser, billiger und wettbewerbsfähiger im Vergleich zu vorhandenen Energiequellen. Vielleicht könnte diese Technologie in naher Zukunft die Landschaft unseres Planeten revolutionieren. freuen!
