Wie der Strom im Photovoltaikmodul entsteht

Sicher hast du dich schon gefragt, was in einer PV Anlagen geschieht. Keine Hexerei, sondern (simple) Physik sorgt für den Strom, den PV Module erzeugen.

Jede Substanz im Universum besteht aus Atomen. In diesen gibt es einen Kern, der elektrisch positiv geladen ist, da er Protonen (kleine positiv geladene Teilchen) enthält. Der Atomkern ist von negativ geladenen Elektronen umgeben. Ein Atom ist elektrisch neutral, wenn die Anzahl der Elektronen und Protonen identisch ist.

Die leichten Elektronen umgeben den Kern wie eine Wolke. Sie sind beweglich und können sich aus dem Verband, der einen Kern umgibt, lösen. Geschieht dies, bleibt ein positiv geladenes Ion, das als Kation bezeichnet wird, zurück. Lagert sich ein Elektron an einem Atom an, entsteht ein geladenes Ion, ein Anion.

Jedes Ungleichgewicht aus negativen und positiven Teilchen bezeichnen Wissenschaftler als elektrische Spannung. Wenn sich keine Elektronen bewegen, liegt eine statische Spannung an. Du kennst das von Batterien zwischen dem Plus- und dem Minuspol einer Mignonzelle (AA Batterie) liegt eine Spannung von 1,5 V zwischen den Polen einer Autobatterie in der Regel eine von 12 V. Wenn du die Pole verbindest, setzen sich Elektronen in Bewegung, um das Ungleichgewicht (Spannungsgefälle) auszugleichen und es fließt elektrischer Strom.

Nun zu der Frage, wie Licht dazu führen kann, dass sich ein elektrisches Ungleichgewicht einstellt, also eine statische Spannung entsteht.

Egal ob es sich um eine Photovoltaikanlage für ein Einfamilienhaus handelt oder eine Inselanlage wie das Phaesun Solarmodul »Energy Generation Kit Solar Rise«, 270 W, (Set), 270 W (https://www.otto.de/p/phaesun-solarmodul-energy-generation-kit-solar-rise-270-w-set-270-w-1211486669/#variationId=1211486670), die funktonsweise ist immer identisch.

In den Zellen sind sogenannte Halbleiter, also Stoffe, die abhängig von äußeren Bedingungen wie Isolatoren oder Leiter wirken. Da heißt, sie leiten Strom nur dann, wenn bestimmte Voraussetzungen vorliegen. In Photovoltaik-Zellen befinden sich Materialien, die unter dem Einfluss von Licht und Wärme zu Leitern werden. Meist handelt es sich um Silizium. Aber natürliches Silizium muss zunächst aufwendig bearbeitet werden.

Das Silizium Atom enthält im Kern 14 Protonen, um den 14 Elektronen kreisen. Diese bewegen sich überwiegend in bestimmten Abständen um den Kern auf den sogenannten Schalen. Auf derjenigen, die dem Kern am nächsten liegt, sind 2 Elektronen, auf der nächsten 8 und auf der äußeren 4. Eine Schale ist mit 8 Elektronen vollständig gefüllt und gilt als stabil. Elemente mit weniger als 4 negativen Ladungen auf der äußeren Schale geben dies ab und solche mit mehr als 4 nehmen welche auf. So werden vollständige äußere Schaden erreicht.

Silizium kann 4 Elektronen abgeben oder aufnehmen, um eine vollständige Schale zu erreichen. Daher ordnet sich das Element in einem Kristallgitter an, in dem die benachbarten Atome die äußeren Elektronen gemeinsam nutzen.

Um eine gezielte Veränderung der Leitfähigkeit zu erreichen, werden Fremdatome in das Gitter eingebracht, die statt 4 Außenelektronen 5 oder 3 haben. Den Vorgang nennt der Fachmann dotieren.

Bei der n-Dotierung bringt er Elemente mit 5 Außenelektronen ein. Vier verbinden sich mit je einem Siliciumatom, das fünfte ist frei beweglich. Bei der p-Dotierung bindet er Element ein, die nur 3 Außenelektronen aufweisen. So entsteht ein Loch, denn ein Siliziumatom kann seine äußere Schale nicht füllen. Diese Lücke verhält sich wie eine positive bewegliche Ladung.

Eine PV-Zelle besteht aus je einer Schichte von p- und n-dotiertem Silizium. Zwischen diesen entsteht der p-n-Übergang. In diesem Bereich gibt es keine freien Ladungsträger. Da die freien Elektronen des n-Leiters und die freien Löcher des p-dotierten Kristalls besetzen, erfolgt an der Grenze ein Ausgleich. Es entsteht eine negative Schicht aus n-Kristallen, da die überschüssigen Elektronen nicht in die p-Schickt wandern können. Diese Schicht ist nicht leitend.

Ein PV Modul besteht aus einer Schicht n-Kristalle, die dem Licht zugewandt ist und einer aus p-Kristallen auf der Unterseite. Auf der n-dotierten Schicht befindet sich ein Kontaktgitter aus Metall, die p-dotiere Schicht ist mit Aluminium bedeckt. Sobald ein Lichtteilchen (Photon) auf die n-dotierte Schicht trifft, schlägt es aus der Hülle eines Atoms ein Elektron heraus. Dieses bewegt sich wegen des inneren elektrischen Feldes nach oben zum Gitter, das Loch dagegen bewegt sich zur Aluminiumschicht. Ein direkter Ausgleich der Spannung in der Zelle ist nicht möglich, da die p-n-Grenzschicht dies verhindert. Strom fließt in einer Leitung, welche das Kontaktgitter mit der Alu-Schicht verbindet.

[„Hinweis“:

• Eine Solarzelle mit dem Maß 100 x 100 mm kann beispielsweise 0,46 V und 2,94 A, also 1,35 Watt erzeugen.
• In Reihe geschaltet, addiert sich die Spannung zweier Zellen zu 0,92 V bei 2,94 A,
• parallel geschaltet addiert sich die Stromstärke zu 5,88 A bei 0,46 V.
• Die Leistung bleibt gleich 5,88 A x 0,46 V = 2,94 A x 0,92 V = 2,7 VA (Watt)
• Heute werden meist Solarzellen mit dem Maß 15 x 15 cm produziert, die also eine 2,25-mal so große Fläche aufweisen und circa 3 Watt erzeugen.]

Ein Solarmodul besteht meist aus 36 bis 72 Zellen, die parallel und in Reihe geschaltet werden, daher erzeugen die Module Gleichspannung von 30 bis 50 Volt. Beim PV Modul Vergleich ist auch darauf zu achten, wie die Zellen geschaltet sind. Die Leistung von PV-Anlagen hängt außerdem von weiteren Komponenten ab, die zusätzlich verwendet werden, etwa Wechselrichter oder Laderegler. Auch eine Schicht, die Reflexionen verhindert oder die Qualität des Glases, welches die Zellen vor mechanischen Schäden zu bewahrt, spielen bei der Beurteilung von Solaranlagen eine Rolle.