Die Sonnenenergie nutzen: Wie Photovoltaik funktioniert
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Die Sonne ist eine scheinbar unerschöpfliche Quelle an Energie. Täglich strahlt sie enorme Mengen an Licht und Wärme auf die Erde ab. Allein die von der Sonne erreichende Erdoberfläche wird mit einem Vielfachen unseres gesamten Energiebedarfs bestrahlt. Eine Schlüsseltechnologie, um dieses riesige Potenzial zu nutzen, ist die Photovoltaik. Mit ihren Solarzellen wandelt sie die Sonnenstrahlung direkt in elektrischen Strom um.
Die Photovoltaik ist damit eine tragende Säule der Energiewende und des Ausbaus erneuerbarer Energien. Ihr Vorteil: Die Sonnenenergie steht überall in nahezu unbegrenztem Maß kostenlos zur Verfügung. Wird sie mittels Photovoltaik in Strom umgewandelt, entstehen keine Treibhausgase und andere Schadstoffe. Zudem können Solarzellen modular auf Gebäuden, Freiflächen usw. installiert werden.
Doch wie funktioniert die Umwandlung von Licht in Strom eigentlich? Welche Technologien und Komponenten stecken in einer Photovoltaikanlage? Diesen Fragen wollen wir im Folgenden auf den Grund gehen und die Wissenschaft hinter der Photovoltaik beleuchten.
Grundlagen des photoelektrischen Effekts
Das Herzstück der Photovoltaik ist der photoelektrische Effekt. Dieser physikalische Prozess macht sich zunutze, dass Lichtteilchen, Photonen, Elektronen aus einem Material herauslösen können. Trifft Licht auf einen geeigneten Halbleiter, werden Photonen absorbiert und die Energie auf Elektronen übertragen. Diese werden dann aus ihrer Bindung gelöst und können sich frei bewegen. So wandelt die Photovoltaik Licht in elektrischen Strom um.
Aufbau und Wirkungsweise einer Solarzelle
Der photoelektrische Effekt tritt in Solarzellen auf, die meist aus Silizium bestehen. Die Solarzelle ist ein Halbleiterdioden-System. An der Oberfläche sorgt eine Negativ-Dotierung mit Elektronenüberschuss dafür, dass Photonen leichter Elektronen herausschlagen können. Eine Positiv-Dotierung auf der Rückseite erzeugt ein internen elektrischen Feld. Dieses treibt die freigesetzten Elektronen in eine Richtung und erzeugt so einen gerichteten Stromfluss. Über Elektroden wird der Gleichstrom nach außen abgegriffen.
Einflussfaktoren auf die Stromausbeute
Die Effizienz einer Solarzelle wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Eine große Rolle spielen die Lichtintensität und die Wellenlänge. Das Sonnenspektrum enthält unterschiedliche Wellenlängen, von denen nur sichtbares Licht und nahes Infrarot von Silizium-Solarzellen genutzt werden können. Auch die Temperatur wirkt sich aus. Daher ist der Standort und die optimale Ausrichtung entscheidend für einen hohen Solarenergieertrag.
Bedeutung der Photovoltaik für die Energiewende
Inzwischen ist die Photovoltaik eine tragende Säule der erneuerbaren Energien. Besonders die Kosten sind in den letzten Jahren drastisch gesunken. Immer mehrprivate Haushalte und Unternehmen investieren in Solarstromanlagen. Auch die Cannabis-Industrie setzt zunehmend auf Photovoltaik, um nachhaltigen Strom für den Anbau zu erzeugen. Insgesamt hat die Photovoltaik das Potenzial, unsere Energieversorgung grundlegend umweltfreundlicher zu machen und einen wichtigen Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels zu leisten.