Electrizutät im 21. Jahrhundert
Wenn wir weiter Kohle, Öl, und Gas so verbrauchen wie bisher, sind die entsprechenden Lager bereits im nächsten Jahrhundert erschopft.
Die Wissenschaft sucht neue Wege der Energiegewinnung. Es gibt zum Beispiel Vorschläge, Sonnenlicht durch einen erdumkreisenden Kolektor in Elektrizitat zu verwandeln, die zur Erde gesendet wird. Man rechnet auch mit Kernfusionsreaktoren, deren Brennstoffe in den Weltmeeren fast unbegrenzt verfügbar sind.
Die Solarzellen wandeln das Licht von der Sonne ins Electrizitat um.
Die ersten Solaranlagen entstanden in den 60" und wurden an Meteorologische und Nachrichten-Sateliten benützt. Diese waren um die 200-400 Kg schwer und sammelten nur11% der Gesamtenergie/m2
Mobile Verbraucher wie Taschenrechner, Wohnwagen und -boote bieten eine im Verhältnis zum Verbrauch ausreichende Oberfläche für die Zukunft der Solarzellen. Bei ihnen sind immer häufiger photovoltaische Anlagen anzutreffen. Die heutigen Generationen von Funktelephonen und Elektroautos verlangen jedoch immer noch viel zu grosse Leistungen.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Energie des Lichtes in andere Energieformen umzuwandeln. Sicher haben Sie alle schon von Sonnenkollektoren gehört. Dort wird das Sonnenlicht verwendet, um Wasser zu erwärmen. Die Lichtenergie wird in Wärme umgewandelt. Durch Verwendung von geeigneten Kollektoren kann man sogar Dampf erzeugen und damit eine Turbine mit Generator antreiben. Man kann so das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln.
Man kann Licht auch direkt, dass heisst ohne den Umweg über Wärme, in elektrische Energie umwandeln. Spezielle, geschickt kombinierte Materialien erzeugen bei Belichtung einen nutzbaren Strom. Diese Tatsache bezeichnet man als photovoltaischen Effekt. Die Entdeckung der Photovoltaik geht in das letzte Jahrhundert zurück, als man die Grundlagen der Photographie erforschte. Lange Zeit wurde dieser Effekt aber nicht weiter beachtet. Erst in den dreissiger Jahren wurden elektronische Elemente zur Nutzung des photovoltaischen Effektes entwickelt und patentiert. Solche Bauteile fasst man unter dem Begriff Photoelemente zusammen.
Photoelemente, die speziell für die Stromerzeugung optimiert sind, werden als Solarzellen bezeichnet. Die erste Solarzelle wurde 1954 hergestellt und bereits 1958 in einem amerikanischen Satelliten zur Stromversorgung eingesetzt. In der Praxis werden die einzelnen Solarzellen serie- und parallelgeschaltet, damit brauchbare Spannungen und Ströme erzeugt werden können.
Die Sonnenenergie ist unerschöpflich. Sie kommt gratis an. An einem strahlenden Tag sind es rund 1 kW/m2; anders gesagt, 1000 Joule in jeder Sekunde auf jeden Quadratmeter.
Die Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität durch Solarzellen hat erhebliche Vorteile. Die Umwandlung geschieht praktisch ohne schädliche Nebeneffekte wie Umweltverschmutzung oder Lärm. Auch kommt sie im Prinzip ohne bewegliche Teile aus.
Die Pakete mit zusammengeschalteten Solarzellen werden 'Modul', 'Panel' oder auch 'Solargenerator' genannt. Solargeneratoren können zu Anlagen jeder Grösse kombiniert werden, von wenigen Watt Leistung für das tragbare Funktelephon bis zu Kraftwerken, die einige Megawatt ins Elektrizitätsnetz einspeisen. Selbstverständlich braucht es für die Nutzung auch entsprechende Steuerungseinrichtungen und Speichermöglichkeiten. Die Integrierte Photovoltaik-Demonstrationsanlage Dimbach (IPDAD, groste Europas) Solarkraftwerk wird vom Bundesministerium mit150 000 Euro unterstützt. Es wird eine neuartige Wechselrichter-Schaltung erprobt, welche den Jahresertrag um über 7% steigern soll. Das andere Projekt zeigt wie die Umnutzung vorhandener Dachflächen Landwirte zu dezentralen Energieversorgern gemacht wird. Das kombinierte Demonstrations- und Forschungsprojekt auf über 1.000 Quadratmetern Dachfläche und mit einer photovoltaischen Gesamtleistung von 123kWp dient auch dem Ziel der Bundesregierung, den Anteil der erneuerbaren Energieträger an der Energieversorgung bis zum Jahr 2010 zu verdoppeln. Das Vorhaben soll zeigen, dass durch die Nützung hoch entwickelter Technik in Verbindung mit neuartigen Verfahren ein deutlicher Mehrertrag gegenüber herkümmlichen PV-Anlagen erzielt werden kann. Daneben sieht das deutsche Ministerium Chancen, neue Einkommensbereiche für die Landwirtschaft zu erschließen, die Verluste aus Mindererträgen durch zu lange Sonneneinstrahlung und zu geringe Niederschläge ausgleichen zu können. Die Anlage und die darin verwirklichten Innovationen sollen auch einen technologischen Grundstein für die Fernregelung, das Energiemanagement und die Ertragsprognose von Photovoltaik-Anlagen legen. Soll die Photovoltaik ihren Beitrag zur Substitution der fossilen und nuklearen Energieträger leisten, gilt es, ihre Effizienz zu steigern und kostengünstigere Komponenten zu entwickeln.
Grundschema der IPDAD-Stromschaltungsanordnung: Die Anzahl der aktiven Wechselrichter kann mit Hilfe der Relais variiert werden.Eine Solarzelle ist eine Halbleitender Halbleiter-Diode mit grosser Oberfläche und einem dünnen, lichtdurchlässigen n-Halbleiter. Dazu kommen spezielle Anschlüsse und eine Anti-Reflexschicht. Oft sind Solarzellen rund. Sie haben dann einen Durchmesser von ca. 6 - 10 cm. Das kommt vom Herstellungsprozess her. Das Silizium stammt aus dem in Fülle vorhandenen Quarzsand (SiO2). Nach der Reduktion wird es auf verschiedene Arten bestmöglichst gereinigt. Halbleiter-Silizium ist der Stoff, der am reinsten hergestellt wird! Anschliessen zieht man aus dem geschmolzenen Silizium zylinderförmige Einkristalle von etwa 10 cm Durchmesser und 50 cm Länge. Diese schneidet man mit Spezialsägen in dünne Scheiben. Aus Kostengründen ist die ganze Solarzelle bloss etwa 0.2 - 0.5 mm dick. Das Bor für die p-Dotierung kann bereits beim Herstellen der Einkristalle hinzugefügt werden. Wenn man die Scheiben erhitzt und einer Phosphor-haltigen Gasatmosphäre aussetzt, entsteht der dünne n-Halbleiter an der Oberfläche. Er muss so dünn gemacht, damit möglichst viel Licht durch ihn hindurch bis zur Verarmungsschicht vordringen kann. 'Dünn' heisst hier ca. 0.2 um, ein Bruchteil eines tausendstel Millimeters. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist ca. 50 -100 um dick. Der n-Halbleiter ist also etwa 500 mal dünner als ein Haar. Die in der Solarzelle freigesetzten Ladungen müssen wir natürlich über Kontakte wegleiten. Auf der Vorderseite befindet sich der Front-Kontakt. Damit viel Licht in den Halbleiter gelangt, soll dieser Kontakt möglichst wenig Oberfläche abdecken. Er besteht deshalb aus schmalen Streifen aus Silber, die im Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Die Rückseite dagegen ist vollständig mit dem Rück-Kontakt aus Silber bedeckt, damit der elektrische Widerstand möglichst gering wird. Der glattpolierte Halbleiter spiegelt ähnlich wie ein Metall. Gespiegeltes Licht ist jedoch verlorene Energie. Deshalb wird auf der Frontseite noch eine dünne Schicht aus SiO2, Ta2O3 usw. aufgedampft, welche die Reflexion vermindert. Sie ist bloss etwa 0.2 um dick, halb so viel wie die Lichtwellenlänge. Die Oberflächenbehandlung ist verantwortlich für die bekannte blaue Farbe von guten Zellen. Diese können nämlich auch den Blauanteil im Sonnenlicht ausnützen.
Das Licht erzeugt in der Verarmungszone des p-n-Übergangs ein Elektron-Loch-Paar. Die beiden beweglichen Ladungen werden vom inneren Feld getrennt: Ein Elektronen-Überschuss entsteht so im n-Halbleiter; er wird zum Minus-Pol. Ein Löcher-Überschuss, also ein Elektronen-mangel, entsteht im p-Halbleiter; dieser wird zum Plus-Pol der neuen Stromquelle. Der innere Photoeffekt kann bekanntlich nur durch Photonen ausgelöst werden, die genügend Energie hf besitzen. Das bedeutet, dass das Licht eine genügend hohe Frequenz, respektive eine genügend kurze Wellenlänge haben muss. Für Silizium ist die Energie etwa E = 10-19 J. Die maximale Wellenlänge beträgt demnach rund 1 um. Silizium kann also schon IR-Licht ausnutzen. Die Sonne strahlt jedoch am meisten grünes Licht aus. Beim inneren Photoeffekt wird nicht die ganze Energie des Photons benötigt; aus dem Rest entsteht Wärme. Dies ist ein unumgänglicher Verlust. Sie müssen sich auch vorstellen, dass nicht jedes genügend energiereiche Photon ein Elektron-Loch-Paar erzeugt. Für den inneren Photoeffekt gibt es bloss eine gewisse Wahrscheinlichkeit, die vom Material und der Energie des Photons abhängt. Zudem besteht eine reelle Chance, dass getrennte Ladungsträger wieder rekombinieren, bevor sie vom Feld vollständig getrennt worden sind.
Dieser Prozess nimmt mit der Temperatur rasch zu. Im gleichen Masse nimmt der Wirkungsgrad der Zelle ab. Aus diesen und anderen Gründen hat der Wirkungsgrad einer Solarzelle also eine physikalische Grenze. Sie ist allerdings in den letzten Jahren durch die Theoretiker nach oben geschraubt worden und soll jetzt für Silizium bei 30 % liegen. Im Labor wurden 20 % erreicht; aber die auf dem Markt erhältlichen Solarzellen kommen nur wenig über die 10 %.
Die Solarzellen sind die Zukunft fur den Elektrizitatverbrauch der Welt.
