Solarenergie – die Zukunft der Energieversorgung?

Solarenergie – die Zukunft der Energieversorgung?

Solarenergie ist für unser Überleben als Spezies von entscheidender Bedeutung, und glücklicherweise boomt die Branche und zeigt in den letzten zehn Jahren eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 50 Prozent. In den meisten Branchen wäre das eine makroökonomische Nachricht. Aber die Solarenergie hat eine andere Aufgabe als Geld zu verdienen – sie soll den Planeten retten.

Ohne Solarenergie und die Energie, die sie umwandeln können, gibt es keinen Plan, um zu verhindern, dass die vom Menschen verursachte globale Erwärmung das Klima der Erde dauerhaft verändert. Die Rolle der erneuerbaren Energien bei der Abschwächung des Klimawandels ist erwiesen.

Was sind also ihre inneren Mechanismen, und wie funktionieren Solarmodule eigentlich? Wir klären in diesem Beitrag auf.

Wie funktionieren Solarmodule?

Um zu verstehen, wie Silizium-Solarmodule Strom erzeugen, musst du auf der atomaren Ebene denken. Silizium hat die Ordnungszahl 14, das heißt, es hat 14 Protonen in seinem Zentrum und 14 Elektronen, die dieses Zentrum umkreisen. In der klassischen Vorstellung von Atomkreisen gibt es drei Kreise, die sich um das Zentrum bewegen. Der innerste Kreis ist mit zwei Elektronen gefüllt, der mittlere Kreis mit acht.

Der äußerste Kreis, der vier Elektronen enthält, ist halb voll. Das bedeutet, dass er immer versuchen wird, sich mit Hilfe von Atomen in der Nähe aufzufüllen. Wenn sie sich verbinden, bilden sie eine so genannte kristalline Struktur.

Bei all den Elektronen, die sich ausstrecken und miteinander verbinden, gibt es nicht viel Platz für einen elektrischen Strom, der sich bewegen könnte. Deshalb ist das Silizium in Solarzellen unrein und mit einem anderen Element wie Phosphor vermischt. Der äußerste Kreis des Phosphors hat fünf Elektronen.

Dieses fünfte Elektron ist ein so genannter „freier Träger“, der in der Lage ist, einen elektrischen Strom ohne große Anstrengung zu transportieren. Wissenschaftler/innen erhöhen die Anzahl der freien Ladungsträger, indem sie Verunreinigungen in einem Prozess namens Dotierung hinzufügen. Das Ergebnis ist das so genannte N-Typ-Silizium.

N-Typ Silizium ist das, was auf der Oberfläche eines Solarmoduls zu finden ist. Darunter befindet sich das spiegelverkehrte P-Silizium. Während N-Typ Silizium ein zusätzliches Elektron hat, enthält P-Typ Verunreinigungen aus Elementen wie Gallium oder Bor, die ein Elektron weniger haben. Dadurch entsteht ein weiteres Ungleichgewicht, und wenn das Sonnenlicht auf das P-Typ-Silizium trifft, beginnen die Elektronen zu wandern, um die Lücken in den anderen zu füllen. Ein Balanceakt, der sich immer und immer wieder wiederholt und Strom erzeugt.

Herzlichen Glückwunsch! Wenn du es bis hierhin geschafft hast, dem Beitrag zu folgen, wird es von jetzt an weniger theoretisch und technisch.

Was macht ein Solarmodul aus?

Solarzellen werden aus Siliziumscheiben hergestellt. Diese bestehen aus dem Element Silizium, einem harten und spröden kristallinen Feststoff, der nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdkruste ist und Sonnenlicht auf natürliche Weise in Strom umwandelt.

Wie andere Kristalle auch, kann Silizium gezüchtet werden. Wissenschaftler/innen, züchten Silizium in einer Röhre als einheitlichen Kristall, rollen die Röhre ab und schneiden die so entstandene Platte in so genannte Wafer.

Stell dir eine runde Stange vor. Diese Stange wird anschließend sehr dünn geschnitten. Das ist der Punkt, an dem es in der Vergangenheit sehr schwierig war – entweder zu dick, was Verschwendung bedeutet, oder zu dünn, was sie unpräzise und anfällig für Risse macht.

Sie versuchen, diese Wafer so dünn wie möglich zu machen, um so viel Wert wie möglich aus dem Kristall zu holen. Diese Art von Solarzelle wird aus monokristallinem Silizium hergestellt.

Solarzellen in der heutigen Zeit

Heutzutage werden Solarzellen in Massenproduktion hergestellt und mit Lasern mit größerer Genauigkeit geschnitten. Obwohl sie im Weltraum eingesetzt werden, haben sie auf der Erde einen viel größeren Nutzen. Anstatt den Schwerpunkt auf das Gewicht zu legen, legen die Solarhersteller jetzt den Schwerpunkt auf Stärke und Haltbarkeit.

Eines der Hauptaugenmerke eines jeden Solarherstellers ist der Wirkungsgrad – wie viel des Sonnenlichts, das auf jeden Quadratmeter des Solarmoduls fällt, kann in Strom umgewandelt werden. Das ist ein grundlegendes mathematisches Problem, das im Mittelpunkt der gesamten Solarproduktion steht. In diesem Fall bedeutet der Wirkungsgrad, wie viel des Sonnenlichts durch P- und N-Silizium richtig umgewandelt werden kann.

Nehmen wir an, du hast 100 Quadratmeter auf deinem Dach zur Verfügung. Wenn die Solarpanel auf dieser begrenzten Fläche einen Wirkungsgrad von 10 Prozent haben, sind es weniger als 20 Prozent. Der Wirkungsgrad gibt an, wie viele Elektronen sie pro Quadratzoll Siliziumscheiben produzieren können. Je effizienter sie sind, desto wirtschaftlicher können sie arbeiten.

Vor etwa einem Jahrzehnt lag der Wirkungsgrad der Solarenergie bei etwa 13 Prozent. Im Jahr 2019 ist die Solareffizienz auf 20 Prozent angestiegen. Das ist ein klarer Aufwärtstrend, der aber bei Silizium eine Grenze hat. Aufgrund der Beschaffenheit des Elements Silizium haben Solarzellen eine Obergrenze von 29 Prozent.

Trotz dieser Fortschritte gibt es einige äußere Faktoren, die das Wachstum der Solarzellen vorübergehend stagnieren lassen. Vor dem Ausbruch der COVID-19-Pandemie Anfang des Jahres machten Aufdach-Solarmodule etwa 40 Prozent des gesamten Weltmarktes aus.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.