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4. Photovoltaikanlage
4.1. Woraus besteht ein Solarmodul?
In der Solarzelle
Ein Solarmodul besteht aus mehreren Solarzellen, die das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie umwandeln.
Diese Solarzellen sind in Reihenschaltung angebracht. Die Reihenschaltung wird beim Brick Solar Modul durch Auöten von Verbindern
realisiert. Es gibt starre Module und exible Module. Flexible Module basieren auf organischen Stoffen. Der grobe Aufbau eines starren
Solarmoduls ist wie folgt: Siliziumbasierte Solarzellen, die auf einem Aluminiumrahmen montiert und von einer Glasplatte abgedeckt sind.
Die Glasplatte schützt die Solarzellen zum Beispiel vor Hagel. Mehrere Solarmodule ergeben eine Photovoltaikanlage und alle Solarmodu-
le einer Photovoltaikanlage nennt man Solargenerator. Es gibt on-grid und off-grid Photovoltaikanlagen. Off-grid bedeutet Stromnetz-
unabhängig. Das könnte zum Beispiel ein Satellit sein, der mit Solarenergie betrieben wird. On-grid bedeutet, dass der generierte Strom in
das Stromnetz eingespeist wird. Dies passiert mit Hilfe eines Inverters. Der Inverter braucht aber ein bisschen Strom, um sich mit dem
Stromnetz zu synchronisieren. Der erzeugte Strom, der eingespeist werden soll, muss nämlich die gleiche Spannung und Phasenlage
haben, wie das vorhandene Stromnetz.
Solarzellen sind elektronische Bauelemente, mit denen Sonnenenergie direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.
Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium. Silizium ist ein Halbleitermaterial, welches aus ganz normalem Sand gewonnen werden
kann. Ein Halbleiter ist im Gegensatz zu einem Isolator ein Material, welches unter normalen Umgebungsbedingungen (Raumtemperatur)
einige freie Elektronen besitzt. Deshalb kann in einem Halbleiter immer noch ein kleiner Strom ießen, was in einem Isolator nicht möglich
ist. Daher kommt auch der Name – HALBLeiter. Der Strom ist aber wesentlich kleiner, als in einem elektrischen Leiter
(zum Beispiel Draht). Mit einigen technischen Tricks ist es Ingenieuren möglich, die Leitfähigkeit von Halbleitern ganz gezielt zu erhöhen.
Es werden einfach chemische Elemente in das Siliziumkristall eingebaut, die dazu führen, dass entweder mehr freie Elektronen vorhanden
sind: Dieser Elektronenüberschuss wird auch als n-leitend (negativ leitend) bezeichnet. Oder es werden chemische Elemente eingeführt,
die im Silizium einen Elektronenmangel erzeugen: Dieser Elektronenmangel führt dazu, dass einfach einige Plätze im Siliziumkristall nicht
besetzt sind. Es wird dann auch von Löchern gesprochen. Diese Löcher sind, ebenso wie die Elektronen, frei beweglich.
Dieser Löcherüberschuss wird auch als p-leitend (positiv leitend) bezeichnet.
n-dotiert
p-dotiert
Bei der Produktion von Solarzellen wird im Siliziumkristall jetzt über einer Schicht mit Elektronenmangel eine Schicht mit Elektronenüber-
schuss erzeugt. Das führt dazu, dass sich in einer schmalen Übergangsschicht die freien Elektronen in den Löchern festsetzen
(plus und minus zieht sich an, wie bei Magneten). Es entsteht eine dünne Schicht, genannt Raumladungszone, welche weder freie
Elektronen noch freie Löcher aufweist – quasi eine Isolatorschicht. Legen wir jetzt an der n-Schicht und an der p-Schicht einen Kontakt an
und verbinden diesen, passiert nichts, da diese voneinander isoliert sind.
Und jetzt kommt die Sonne ins Spiel. Sonnenstrahlen, wie wir sie sehen, bestehen aus Teilchen, so genannten Photonen. Diese Erkenntnis
haben wir übrigens dem berühmten Albert Einstein zu verdanken. Die Sonnenstrahlen treffen nun auf die Oberäche der Solarzellen und
dringen durch die dünne n-Schicht so weit vor, dass sie die Übergangsschicht erreichen und können dort die in den Löchern gebundenen
Elektronen herausschlagen. Das ist wie beim Murmeln, wenn ihr eine Murmel mit eurer eigenen Murmel aus dem Weg schießt. Diese jetzt
frei gewordenen Elektronen ießen über die anliegenden Elektroden zurück zu den frei gewordenen Löchern, was zu einem Stromuss
außerhalb der Solarzelle führt. Dieser Strom ist dann der von uns so gewünschte Solarstrom. Mit dem Solarstrom können dann Motoren
angetrieben werden, Lampen zum Leuchten gebracht, aber auch Akkumulatoren aufgeladen werden.
n-dotiert
p-dotiert
Elektroden
n-dotiert
Raumladungszone
Elektronenuss
Sonneneinstrahlung
Stromuss
p-dotiert
Elektroden
Elektroden