PV-Zellen verwandeln Photonen in Elektronen

Photovoltaikzellen oder kurz PVs sind magische Dinge, die Lichtenergie, normalerweise von der Sonne, in elektrische Energie umwandeln. Solarzellen bestehen aus halbleitenden Materialien wie Silizium (Si), dem zweithäufigsten Material der Welt nach Sauerstoff, das verwendet wird, um das Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln, da die Photovoltaik Photonen in Elektronen umwandelt.

Dies Der Umwandlungsprozess, so effektiv er auch ist, erzeugt keine schädlichen Abfälle oder Emissionen in die Umwelt, was ihn zu einer sauberen, umweltfreundlichen und effektiven Methode der Energieerzeugung macht. Dann ist eine Photovoltaikzelle, auch als „Solarzelle“ bekannt, ein Halbleiterbauelement, das Gleichstrom erzeugt, wenn Licht darauf fällt.

Die Photovoltaik wandelt Photonen in Elektronen um, was als “Photovoltaik” Effekt (Foto bedeutet Licht und Voltaik bedeutet Elektrizität). Beim photovoltaischen Effekt treffen Photonenstrahlen im Sonnenlicht auf die Oberfläche des Silizium-Halbleitermaterials und setzen freie Elektronen aus den Materialatomen frei. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien, aus denen eine Solarzelle hergestellt werden kann und die alle Sonnenstrahlung in Gleichstrom (DC) umwandeln.

Photovoltaik verwandelt Photonen in Elektronen

Photovoltaische Solarzellen werden im Allgemeinen aus modifizierten Siliziumkristallen wie kristallinem und amorphem Silizium hergestellt , oder andere halbleitende Materialien, die Sonnenlicht absorbieren und in Elektrizität umwandeln.

Bestimmte Dotierungschemikalien werden der Siliziumzusammensetzung zugesetzt, um dabei zu helfen, einen Weg für die freigesetzten Elektronen zum Hindurchfließen zu schaffen. Dadurch entsteht ein Elektronenfluss, der Gleichstrom genannt wird.

Halbleiter sind nichtmetallische Materialien wie Germanium und Silizium, deren I-V-Charakteristik der Solarzelle irgendwo zwischen der eines Leiters, der dem Stromfluss nur sehr wenig Widerstand entgegensetzt, und der eines Isolators liegt, der den Stromfluss nahezu blockiert vollständig. Daher der Begriff „Halbleiter“.

Das auf Silizium basierende Material wird als Halbleiter bezeichnet, weil das Gerät Elektronen nur in einer Richtung von negativ nach positiv leitet.

Kristallines Silizium war das Hauptmaterial, das in den letzten Jahrzehnten zur Herstellung von photovoltaischen Solarzellen verwendet wurde, wobei polykristallines Silizium und amorphes Silizium führend waren. Das in jüngster Zeit zunehmende Interesse an Solarenergie für Privathaushalte und Photovoltaikzellen hat die Solar-Dünnschichttechnologie stark vorangebracht, wobei Cadmiumtellurid und Kupfer-Indium-Sulfid jetzt in erneuerbaren Energieanwendungen für Privathaushalte verwendet werden.

Photovoltaikzellen bestehen im Wesentlichen aus , einer Verbindung zwischen zwei dünnen Schichten unterschiedlicher halbleitender Materialien. Eine Siliziumschicht wird mit einer Substanz behandelt, um einen Elektronenüberschuss zu erzeugen. Dies wird zum negativen oder “N” Typ Halbleiterschicht. Die andere Schicht wird behandelt, um einen Elektronenmangel zu erzeugen, und wird zum positiven oder "P" Typ Halbleiterschicht.

Halbleiter vom N-Typ werden aus kristallinem Silizium hergestellt, das "dotiert" mit winzigen Mengen eines Fremdatoms (meist Phosphor) so, dass das dotierte Material einen Überschuss an freien Elektronen besitzt, daher die Bezeichnung Halbleiter vom negativen Typ. Halbleiter vom P-Typ werden ebenfalls aus kristallinem Silizium hergestellt, sind jedoch mit sehr geringen Mengen eines anderen Fremdatoms (normalerweise Bor) dotiert, wodurch das Material einen Mangel an freien Elektronen aufweist.

Diese “fehlenden” Elektronen im Halbleitergitter werden liebevoll “Löcher” und da das Fehlen eines negativ geladenen Elektrons als äquivalent zu einem positiv geladenen Teilchen angesehen werden kann, ist auf diese Weise dotiertes Silizium als Halbleiter vom positiven Typ bekannt.

Wenn diese unterschiedlichen Halbleitermaterialien mit Leitern zusammengebaut werden, wird die Anordnung zu einem lichtempfindlichen Halbleiter mit PN-Übergang, der im Bereich des Übergangs ein elektrisches Feld aufbaut und den wir allgemein als photovoltaische Solarzelle kennen. Wenn also ähnliche Solarzellen oder PVs zu Solarmodulen kombiniert werden, führt dies zu einer viel höheren Stromerzeugungskapazität.

Aufbau von Photovoltaik-Solarzellen

Wie verwandeln Solarzellen Photonen in Elektronen?

Sonnenlicht, das als Brennstoff fungiert, trägt Energie in die Photovoltaikzelle. Trifft ein Photonenteilchen aus dem Sonnenlicht auf die Oberfläche der Silizium-Solarzelle oder der dotierten Strukturen aus Silizium-Phosphor oder Silizium-Bor, lösen sich die Photonen des absorbierten Sonnenlichts und lösen Elektronen aus den übertragenden Siliziumatomen der Zelle Energie und begeistern sie.

Diese Anregung der Elektronen bewirkt, dass sie von ihrem Mutteratom freigesetzt werden und sich auf ein höheres Valenzniveau bewegen. Da jede Sekunde Milliarden von Photonen auf die Zelle treffen, werden viele Elektronen losgeschlagen.

Schließlich wird das angeregte Elektron aus dem Atom herausgeschleudert, sodass es sich frei im Halbleitermaterial bewegen kann. Da eine Seite des PN-Übergangs einen "Elektronenmangel" (Löcher), während die andere Seite des Übergangs einen “Überschuss an Elektronen” Diese freien Elektronen bewegen sich durch die Verbindungsstelle und erzeugen und füllen Löcher in der Zelle.

Es ist diese Bewegung von Elektronen und Löchern, die Elektrizität erzeugt, und solange Licht auf die Zelle trifft, werden Elektronen vorhanden sein aus der Zelle fließen. Der physikalische Vorgang, bei dem eine PV-Zelle Sonnenlicht in Strom umwandelt, wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet.

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Die durch die Wechselwirkung des Sonnenlichts mit dem Halbleitermaterial freigesetzten Elektronen erzeugen einen Elektronenfluss, wenn sich die freien Elektronen gemeinsam um einen externen Stromkreis bewegen. Die Erzeugung elektrischer Energie erfordert sowohl Spannung als auch Strom. Um Strom zu erzeugen, muss die PV-Zelle also sowohl Spannung als auch den Strom erzeugen, der durch den Elektronenfluss bereitgestellt wird.

Die Zellenspannung wird durch das interne elektrische Feld bereitgestellt, das durch den PN-Übergang aufgebaut wird kann man sich als kleine Batterie vorstellen, die eine feste Ausgangsspannung von etwa 0,5 bis 0,6 Volt erzeugt.

Eine einzelne Silizium-PV-Zelle erzeugt typischerweise einen elektrischen Strom von etwa 3 Ampere, wobei eine einzelne Photovoltaik-Solarzelle bis zu 1,5 Watt Leistung erzeugt. Abhängig von den verwendeten Halbleitermaterialien können einige PV-Zellen mehr und andere weniger Leistung erzeugen. Somit haben 36 in Reihe geschaltete Zellen genug Spannung und Leistung, um 12-Volt-Batterien zu laden oder Pumpen und Motoren anzutreiben.

Sonnenlicht ist sauber, einfach zu nutzen und weltweit verfügbar, und da es von der Sonne stammt, wird es noch viele Millionen Jahre frei verfügbar sein. Solarenergie ist sauber, umweltfreundlich und effektiv, und mit den heutigen effizienten Solarmodulen oder Photovoltaikzellen, die leicht auf dem Markt erhältlich sind, können Hausbesitzer viele Jahre lang kostenlose und saubere Energie haben, wobei die einzigen Kosten, die damit verbunden sind, in den Kosten liegen ein Solarpanel selbst, was Solarenergie zu einer idealen Wahl als Teil eines erneuerbaren Energiesystems für zu Hause macht.

Photovoltaikzellen wandeln eine Energieart (Sonnenlicht) in eine andere (fließende Elektronen) um. Die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom ist auch sehr umweltfreundlich, da sie keine Umweltverschmutzung oder Abfallnebenprodukte erzeugt, keine Luft- oder Wasserverschmutzung verursacht und völlig geräuschlos ist, was sie ideal für eine grünere Zukunft macht.

Photovoltaikzellen sind sehr umweltfreundlich modular, sodass Sie ein PV-System so klein oder so groß installieren können, wie Sie es benötigen. Die einfachsten Photovoltaikzellen versorgen Uhren und Taschenrechner mit Strom, während größere, komplexere Solarmodule und -anordnungen verwendet werden können, um Häuser zu beleuchten und das Stromnetz mit Strom zu versorgen.

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