Photovoltaik-Solarzellen produzieren Solarstrom

Solarenergiekann als “Solarstrom” und der Schlüssel zur Erzeugung von Solarstrom ist die „Solarzelle“ oder genauer gesagt die „Photovoltaik-Solarzelle“. Solarenergie ist eine der rentabelsten und saubersten Formen erneuerbarer Energie, da wir die Sonnenenergie im Sonnenlicht nutzen können, um mittels Photovoltaik Strom zu erzeugen.

Die Solarzelle arbeitet nach dem sogenannten photovoltaischen Effekt, wobei “Photo” bedeutet Licht und “voltaisch” bedeutet Strom. Solarzellen werden technisch eher als Photovoltaische Solarzellen, Photovoltaik oder einfach als PV’s bezeichnet.

Photovoltaik sind Silizium-Halbleiterbauelemente, die in vielerlei Hinsicht elektronischen Dioden und Transistoren ähneln. Photovoltaik erzeugt Strom, indem sie die von der Sonne erzeugte Sonnenenergie entweder in Form von sichtbarem Licht, ultravioletter (UV) Strahlung oder infraroter (IR) Strahlung in einen Gleich- oder Gleichstrom umwandelt, indem sie die photovoltaische Wirkung der Zelle ohne nutzt die Verwendung von beweglichen Teilen.

Sonnenlicht ist sauber, einfach zu nutzen und weltweit frei verfügbar, wobei die einzigen Kosten in den Kosten eines Photovoltaikmoduls selbst liegen, was Solarenergie zu einer idealen Wahl für Einheimische macht Stromerzeugung zu Hause.

Solarstrom ist auch sehr umweltfreundlich, da er keine Umweltverschmutzung oder Nebenprodukte verursacht, keine Luft- oder Wasserverschmutzung verursacht und völlig geräuschlos ist, was ihn ideal für eine grünere Zukunft macht. Eine der gebräuchlichsten Arten von Photovoltaik-Solarzellen besteht aus einem speziell behandelten Silizium-Halbleiter und ist daher als Silizium-Photovoltaik-Solarzelle bekannt.

Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie

Eine typische
Photovoltaik-Solarzelle

Die Erzeugung von Solarstrom beginnt mit der Photovoltaik-Solarzelle. Photovoltaik (PV)-Zellen sind Halbleiterbauelemente, die aus Wafern aus hochreinem Silizium (#032;Si#032;) hergestellt werden, die mit speziellen Verunreinigungen dotiert sind, die ihnen entweder eine Fülle von „Elektronen“ oder und “Löcher” innerhalb ihrer Gitterstruktur.

Solarzellen wandeln Sonnenlichtenergie in elektrischen Strom um, sie speichern keine Energie, aber sie können als kleine Batterien betrachtet werden, die je nach Typ eine feste Ausgangsspannung von etwa 0,5 bis 0,6 Volt erzeugen.

Photovoltaik Solarzellen erzeugen einen variablen Ausgangsgleichstrom, der proportional zu ihrer Größe und der Menge an Sonnenstrahlung ist, die auf den Siliziumwafer fällt. Als Silizium-Halbleiterbauelemente bestehen sie aus einer positiven Schicht vom P-Typ und einer negativen Schicht vom N-Typ, die miteinander verbunden sind, um einen „PN-Übergang“ zu bilden; sehr ähnlich dem der PN-Übergangsdiode.

Die photovoltaische Solarzelle besteht aus Siliziumkristallen. Siliziumkristallatome haben vier Elektronen in ihrem äußersten Orbital. Diese vier Elektronen werden mit benachbarten Siliziumatomen geteilt, um volle Orbitale von acht Elektronen zu bilden, wodurch eine stabile Atomstruktur entsteht. Wenn Sonnenlicht auf das Siliziummaterial trifft, werden Elektronen „ausgeklopft“; aus ihrem Orbital und werden zu "freien Elektronen". Da die Elektronen im Silizium-Kristallmaterial erst bei Lichteinfall frei werden, spricht man von einem Halbleiter.

Mit anderen Worten, wenn Silizium Licht ausgesetzt wird, werden seine Elektronen mobil oder frei. Aber es reicht nicht aus, einen Halbleiter einfach Licht auszusetzen, um ihm einen elektrischen Strom zu entziehen. und “negativ” Pole innerhalb des Siliziums, die Elektronen und damit einen Stromfluss in und aus dem Siliziummaterial ermöglichen.

N-Typ-Halbleiter für Photovoltaik-Solarzellen

Damit unser Siliziumkristall Elektrizität leiten kann, müssen wir ein Verunreinigungsatom wie Phosphor (P) in die kristalline Struktur einführen, wodurch es extrinsisch wird ( Verunreinigungen werden hinzugefügt ). Phosphoratome haben fünf äußere Elektronen in ihrem äußersten Orbital, um sie mit benachbarten Atomen zu teilen, und werden allgemein als ”fünfwertige” ( 5-Elektron )-Verunreinigungen. Dies ermöglicht vier der fünf Orbitalelektronen, sich mit seinen benachbarten Siliziumatomen zu verbinden, wobei ein ”freies Elektron” um den dotierten Kristall zu schweben.

Bei Sonneneinstrahlung werden die aus den Siliziumatomen freigesetzten Elektronen schnell durch die aus den dotierten Phosphoratomen verfügbaren freien Elektronen ersetzt (Elektronenfluss). Aber diese Aktion hinterlässt immer noch ein zusätzliches Elektron (das freigesetzte Elektron), das um den dotierten Kristall herumschwebt und ihn negativ auflädt. Dann wird ein Halbleitermaterial als N-Typ klassifiziert, wenn es einen Überschuss an Elektronen hat und dadurch einen negativen Pol erzeugt. Da jedes Verunreinigungsatom “spendet” ein Elektron, fünfwertige Atome sind allgemein als „Donatoren“ bekannt.

P-Typ-Halbleiter für photovoltaische Solarzellen

Wenn wir den anderen Weg gehen und ein "Trivalent" ( 3-Elektron ) Verunreinigung in die kristalline Struktur, wie Bor (B), das nur fünf Elektronen hat, die in drei Schalen um seinen Kern angeordnet sind, wobei das äußerste Orbital nur drei Elektronen hat, die vierte geschlossene Bindung kann nicht gebildet werden. Daher ist eine vollständig stabile Verbindung nicht möglich, was dem Halbleitermaterial eine Fülle von positiv geladenen Ladungsträgern verleiht, die als “Löcher” bekannt sind. in der Struktur des Kristalls, wo effektiv Elektronen fehlen.

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Da nun ein Loch im Siliziumkristall vorhanden ist, wird ein benachbartes Elektron davon angezogen und versucht, sich in das Loch zu bewegen, um es zu füllen. Das Elektron, das das Loch füllt, hinterlässt jedoch ein weiteres Loch, wenn es sich bewegt.

Dies wiederum zieht ein weiteres Elektron an, das wiederum ein weiteres Loch dahinter erzeugt, und so weiter, was den Anschein erweckt, dass sich die Löcher als positive Ladung durch die Halbleiterkristallstruktur bewegen. Diese Bewegung der Löcher repräsentiert den konventionellen Stromfluss.

Die Bewegung von Löchern führt zu einem Elektronenmangel im Silizium, wodurch der gesamte dotierte Kristall zu einem positiven Pol wird. Daher hat ein Halbleitermaterial vom P-Typ mehr Löcher als Elektronen, und da jedes Verunreinigungsatom ein Loch erzeugt, sind dreiwertige Verunreinigungen allgemein als „Akzeptoren“ bekannt. da sie ständig “akzeptieren” zusätzliche oder freie Elektronen.

Der PN-Übergang

Sowohl N-Typ- als auch P-Typ-Halbleitermaterialien sind für sich genommen elektrisch neutral, aber wenn diese beiden Halbleitermaterialien zuerst zusammengebracht werden, bewegen sich einige der freien Elektronen über den Übergang, um die Löcher im P-Typ-Material zu füllen, wodurch ein Negativ entsteht Ionen, aber weil die Elektronen sich bewegt haben, hinterlassen sie positive Ionen auf der negativen N-Seite und die Löcher bewegen sich über den Übergang in die entgegengesetzte Richtung in den Bereich, wo es eine große Anzahl freier Elektronen gibt. Diese Bewegung von Elektronen und Löchern über den Übergang wird als Diffusion bezeichnet.

Dieser Prozess setzt sich fort, bis die Anzahl der Elektronen, die den Übergang überquert haben, eine ausreichend große elektrische Ladung aufweisen, um weitere Träger abzustoßen oder daran zu hindern, den Übergang zu überqueren. Schließlich tritt ein Gleichgewichtszustand (elektrisch neutrale Situation) ein, der eine “Potenzialbarriere” Zone um den Bereich des Übergangs, da die Donoratome die Löcher abstoßen und die Akzeptoratome die Elektronen abstoßen. Da keine freien Ladungsträger an einer Stelle ruhen können, an der eine Potentialbarriere vorhanden ist, ist sie daher “erschöpft” freier Mobilfunkanbieter, und dieser Bereich um die Kreuzung wird jetzt als Depletion Layer bezeichnet.

Die Bedeutung dieses eingebauten Potentials besteht darin, dass es sowohl dem Fluss von Löchern als auch von Elektronen über den Übergang entgegenwirkt und deshalb als Potentialbarriere bezeichnet wird. Sonnenlicht ist elektromagnetische Strahlung, die aus sehr kleinen Einheiten von Lichtenergie besteht, die Photonen genannt werden.

Wenn ein Photon in Form von Sonnenlicht auf den PN-Übergang des Halbleitermaterials der Solarzelle trifft oder auftrifft, löst die Energie des Photons alle freien Elektronen innerhalb dieses PN-Übergangs oder schlägt sie los, wenn sie durch die Photonenenergie angeregt werden. Dies führt dazu, dass die Elektronen freigesetzt werden und sich frei über die Verarmungsschicht bewegen können, wobei an ihrer Stelle ein Loch oder eine positive Ladung zurückbleibt.

Im Material vom P-Typ kreuzen diese freien Elektronen leicht durch die Verarmungsschicht und in das Material vom N-Typ, aber diese Elektronenbewegung ist eine Einbahnstraße, da die Elektronen nicht in der Lage sind, die Verarmungsschicht zurück in das P- Art Material. Infolgedessen baut sich ein Überschuss an freien Elektronen im Halbleitermaterial vom N-Typ auf, wodurch ein elektrischer Strom innerhalb der Solarzelle erzeugt wird, der unbegrenzt anhält, solange er Sonnenlicht ausgesetzt ist.

Da nun positive und negative Seiten des Übergangs erzeugt werden, fungiert die photovoltaische Solarzelle als eine Art Batterie, die sowohl eine Spannung als auch einen Gleichstrom erzeugt. Dann wandeln photovoltaische Zellen Photonen in Elektronen in Form von elektrischem Strom um. Kleine Drähte oder Metallrippen sind sowohl mit den Halbleitermaterialien vom P-Typ als auch vom N-Typ verbunden, um diese neu geschaffene Energie zu nutzen, die Solarenergie in Form eines Gleichstromflusses erzeugt, wie unten gezeigt.

Photovoltaik-Solarzelle Konstruktion

Solarstrom von der Sonne

Der der Sonne zugewandte Siliziumwafer der photovoltaischen Solarzelle besteht aus den elektrischen Kontakten und ist mit einer Antireflexbeschichtung beschichtet, die hilft, das Sonnenlicht effizient zu absorbieren. Die elektrischen Kontakte stellen die Verbindung zwischen dem Halbleitermaterial und der externen elektrischen Last wie einer Glühbirne oder einer Batterie her.

Wenn Sonnenlicht auf eine PV-Zelle scheint, treffen Lichtphotonen auf die Oberfläche des Halbleitermaterials und werden freigesetzt Elektronen aus der Materialatomstruktur. Bestimmte Dotierungschemikalien werden der Halbleiterzusammensetzung hinzugefügt, um dabei zu helfen, einen Weg der freigesetzten Elektronen zu etablieren.

Dadurch entsteht ein Elektronenfluss, der einen elektrischen Strom bildet, der über die Oberfläche der photovoltaischen Solarzelle zu fließen beginnt. Metallstreifen werden über die Oberfläche der Photovoltaikzelle gelegt, um diese Elektronen zu sammeln, die die positive Verbindung bilden.

Die Rückseite der PV-Zelle, die dem einfallenden Sonnenlicht abgewandte Seite, besteht aus einer Schicht aus Aluminium- oder Molybdänmetall, die die negative Verbindung zur Zelle bildet. Dann hat eine photovoltaische Solarzelle zwei elektrische Anschlüsse für den konventionellen Stromfluss, einen positiven und einen negativen.

Die Art des von einer photovoltaischen Solarzelle erzeugten Solarstroms wird als Gleichstrom oder DC bezeichnet, genauso wie von a Batterie. Die meisten photovoltaischen Solarzellen erzeugen einen „Leerlauf“; Leerlaufspannung (nichts daran angeschlossen) von etwa 0,5 bis 0,6 Volt, wenn kein externer Stromkreis angeschlossen ist. Diese Ausgangsspannung ( VOUT ) hängt stark vom Laststrom ( I ) ab) Anforderungen der PV-Zelle.

Zum Beispiel wäre an einem sehr bewölkten oder trüben Tag der Strombedarf gering und die Zelle könnte die volle Ausgangsspannung liefern, VOUT aber bei reduziertem Ausgangsstrom. Aber wenn der Strombedarf der Last zunimmt, wird an der Verbindungsstelle ein helleres Licht (Sonneneinstrahlung) benötigt, um eine volle Ausgangsspannung VOUT aufrechtzuerhalten.

Es gibt jedoch eine physikalische Grenze für den maximalen Strom, den eine einzelne Photovoltaik-Solarzelle liefern kann, unabhängig davon, wie intensiv oder hell die Sonneneinstrahlung ist. Dies wird als maximal lieferbarer Strom bezeichnet und als IMAX symbolisiert.

Der IMAXDer Wert einer einzelnen photovoltaischen Solarzelle hängt von der Größe oder Oberfläche der Zelle (insbesondere dem PN-Übergang), der Menge an direktem Sonnenlicht, das auf die Zelle trifft, ihrer Effizienz bei der Umwandlung dieser Sonnenenergie in Strom und natürlich der Art ab Halbleitermaterial, aus dem die Zelle entweder aus Silizium, Galliumarsenid, Cadmiumsulfid, Cadmiumtellurid usw. hergestellt ist.

Die meisten im Handel erhältlichen Photovoltaik-Solarzellen haben Solarleistungswerte, die die maximal lieferbare Solarleistung angeben, PMAX die die Zelle in Watt liefern kann und ist gleich dem Produkt aus der Zellenspannung V multipliziert mit dem maximalen Zellenstrom I und wird angegeben als:

Wobei: W in Watt, V in Volt und I ist in Ampere

Photovoltaik-Solarzelle Beispiel Nr. 1

Berechnen Sie den maximalen Ausgangsstrom einer einzelnen 0,5-V-Silizium-Photovoltaikzelle mit maximaler Nennleistung Leistung von 1,75 Watt bei voller Sonne.

Beachten Sie, dass dies der maximale theoretische Strom ist, da der wahre oder tatsächliche Strom durch die Rate der einfallenden Sonnenphotonen bestimmt wird. Die Menge an elektrischer Energie, die von einer Photovoltaikzelle erzeugt wird, hängt von der Sonneneinstrahlung und anderen Bedingungen wie Temperatur und Bewölkung ab. Die Nennleistung einer Photovoltaikzelle, ausgedrückt in Watt (W), ist die maximale oder Spitzenleistung, die eine Zelle bei voller Sonne mit unbedeckter PV-Zelle liefern kann. Versuchen wir es mit einem anderen Beispiel.

Photovoltaische Solarzelle Beispiel Nr. 2

Bei voller Sonne erzeugt eine 0,58-Volt-Photovoltaik-Solarzelle einen Ausgangsstrom von 1,73 Ampere. Berechnen Sie die maximale Ausgangsleistung der Photovoltaikzelle in Watt.

Verschiedene Hersteller bezeichnen die Ausgangsleistung einer Photovoltaik-Solarzelle bei voller Sonne als: „maximale Ausgangsleistung“, „Spitzenleistung“. #8221;, “Nennleistung”, “maximaler Leistungspunkt” oder ähnliche Begriffe, aber sie bedeuten alle dasselbe.

Wie wir bereits gesagt haben, wird angenommen, dass Standard-Sonnenlichtbedingungen an einem klaren Tag am Äquator um die Mittagszeit eine Bestrahlungsstärke von 1.000 Watt Sonnenenergie pro Quadratmeter (1000 W/m2 oder 1 kW/m2) ergeben, und dies wird allgemein als bezeichnet eine “Volle Sonne” Bedingung. Das ist die maximale Einstrahlung auf die Photovoltaikfläche.

Weniger als volle Sonne reduziert die Stromabgabe der Zelle um einen proportionalen Betrag. Wenn zum Beispiel nur die Hälfte der Sonnenenergie (500 W/m2) zur Verfügung steht, wird die Ausgangsstrommenge ungefähr halbiert, weil die Solarzelle nur die halbe Helligkeit hat, um Strom zu erzeugen.

Hersteller von photovoltaischen Solarzellen erstellen Strom-Spannungs-Kurven (I-V) wie unten gezeigt, die den Strom und die Spannung angeben, bei denen die photovoltaische Zelle die maximale Ausgangsleistung erzeugt, und basieren darauf, dass sich die Zelle unter Standardbedingungen von Sonnenlicht und Temperatur ohne Abschattung befindet .

Photovoltaische Solarzellen-I-V-Eigenschaften

Die von einer Photovoltaik-Solarzelle an jedem Punkt entlang der Kurve verfügbare Leistung wird in Watt ausgedrückt und errechnet sich aus der Multiplikation der Spannung mit dem aktuellen Strom siehe oben, Watt = Volt x Ampere. Für die maximale Ausgangsleistung einer Zelle sollte die Vorderseite der Photovoltaik so direkt wie möglich auf die Sonne gerichtet sein.

Um also mehr elektrische Energie aus einer Photovoltaik-Solarzelle zu erzeugen, müssen wir entweder den photovoltaischen Effekt erhöhen, die Energie von Photonen, oder produzieren einen anderen Zelltyp, der die Sonnenenergie effizienter in Strom umwandelt. Gegenwärtig werden die meisten kommerziellen Photovoltaik-Solarzellen aus Silizium hergestellt, dem gleichen Material, aus dem auch Sand hergestellt wird.

Im nächsten Tutorial über „Solarenergie“ werden wir uns damit befassen die verschiedenen verfügbaren Arten von Photovoltaikzellen sowie deren Konstruktion und Solareffizienz.