Wie funktionieren Solarzellen?

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In Wirklichkeit gibt es nur zwei mögliche Endpunkte für die menschliche Energieerzeugung, und beide sind Fusion. Entweder finden wir hier auf der Erde einen Weg, winzige, kontrollierte Fusionsreaktionen zu erzeugen (Fusionsenergie), oder wir finden einen Weg, einen guten Teil der Energie, die bereits aus dem riesigen Fusionsreaktor freigesetzt wird, den unser Sonnensystem gebaut hat, sinnvoll zu ernten ( Solarenergie). Das Schöne an der Solaroption ist, dass sie schrittweise produziert werden kann, was uns einen Teilgewinn bringt, wenn wir uns dem Wendepunkt nähern, an dem sie den größten Teil unseres elektrischen Bedarfs decken könnte. Aber was ist eine Solarzelle, der zentral wichtige Bestandteil der Solarenergie, und wie funktioniert sie?

Eine Solarzelle, auch Photovoltaikzelle genannt, ist definiert als jedes Gerät, das einen Teil der Energie eines Lichtphotons erfassen und diese Energie in Form von Elektrizität an ein Gerät oder Speichermedium weiterleiten kann. Nicht die gesamte Sonnenenergie ist photovoltaischer Natur, da einige Solartechnologien Wärme von absorbierten Photonen und nicht direkt von ihrer Energie direkt sammeln. Mit einer solchen allgemeinen Definition umfasst der Begriff Photovoltaik jedoch eine Vielzahl unterschiedlicher Technologien.

Herstellung von Sonnenkollektoren

Menschen in Häschenkostümen, die Sonnenkollektoren machen.

Eines haben sie jedoch alle gemeinsam: Sie nutzen die Energie eines Photons, um Elektronen im Halbleitermaterial der Zelle von einem nichtleitenden zu einem leitenden Energieniveau anzuregen. Was diesen Komplex ausmacht, ist, dass nicht alle Photonen gleich sind. Licht kommt als nutzloses Amalgam aus Wellenlängen und Energieniveaus an, und kein Halbleitermaterial kann sie alle angemessen absorbieren. Dies bedeutet, dass wir Hybridzellen (“Multi-Junctions”) herstellen müssen, die mehr als ein absorbierendes Material verwenden, um die Effizienz der Erfassung der Sonnenstrahlung zu erhöhen.

Jedes Halbleitermaterial hat eine charakteristische “Bandlücke” oder ein Spektrum elektronischer Energien, denen das Material einfach nicht standhalten kann. Diese Lücke liegt zwischen dem angeregten und dem nicht angeregten Zustand des Elektrons. Ein Elektron im Ruhezustand kann nur dann zur Nützlichkeit angeregt werden, wenn es genügend überschüssige Energie erhält, um direkt über dieses verbotene Band zu springen. Silizium hat eine schöne und erreichbare Bandlücke, die mit einem einzelnen Photon zusätzlicher Energie überbrückt werden kann. Dies ermöglicht, dass Silizium entweder ein (leitend) oder ausgeschaltet (nicht) ist, wie durch die Position seiner potentiell leitenden Elektronen definiert.

Ein Material wie Graphen könnte in gewisser Weise eine viel bessere Basis für eine Photovoltaikzelle sein als Silizium, da es einen unglaublichen elektrischen Wirkungsgrad aufweist und möglicherweise viel dichter in die Paneele selbst gepackt werden kann – das große Problem kehrt zur Bandlücke zurück. und die Unfähigkeit von Graphen, durch die Kraft eines einfallenden Photons angemessen angeregt zu werden. Einige komplexe Graphenvorrichtungen, wie Doppel-Gate-Doppelschicht-Graphen-Transistoren, aber die Probleme bei der Herstellung solcher Vorrichtungen überwiegen zumindest vorerst die potenziellen Gewinne.

SPS ALPHA, weltraumgestütztes Solarkraftwerkskonzept

Sonnenenergie ist im Weltraum viel einfacher zu sammeln, aber dann muss man sie an die Oberfläche bringen.

Echte Fortschritte müssen auf ein angemessen erschwingliches Supermaterial warten, das eine nützliche Bandlücke bietet und gleichzeitig die mechanischen und elektronischen Eigenschaften von Silizium deutlich übertrifft. Bis dahin ist es Interim-Lösungen gelungen, die Funktionsfähigkeit von Panels auf Siliziumbasis erheblich zu verbessern.

Antireflexbeschichtungen erhöhen die insgesamt absorbierte Lichtmenge, während die chemische “Dotierung” der Transistoren selbst die optischen Fähigkeiten von Silizium verbessern kann. Einige Solarkonfigurationen verwenden Spiegelfelder, um so viel Sonnenstrahlung wie möglich auf nur wenige Zellen mit hoher Kapazität im Zentrum zu konzentrieren. Viele sind jetzt sogar als Lichtaufnahmegeräte konzipiert, bei denen einfallendes Licht für immer intern reflektiert wird, bis es schließlich absorbiert wird. Im vergangenen Herbst haben Forscher der University of Michigan sogar eine vollständig transparente Solarzelle entwickelt.

Wärme kann auch ein zunehmend wichtiger Bestandteil von Solarenergieplattformen sein, da jede Strahlung, die nicht elektronisch absorbiert wird, zumindest teilweise als Rohwärme absorbiert wird. Die Verwendung dieser Wärme zum Kochen von Wasser oder sogar zum direkten Heizen von Häusern könnte dazu beitragen, dass die zivile Solarenergie den Gesamtwirkungsgrad verbessert, selbst wenn elektrische Supermaterialien weiterhin aufholen.

Noch ausgefallenere Konzepte wie die weltraumgestützte Sonnenenergie bieten ein gewisses Potenzial, indem sie Licht einfangen, bevor es durch die Erdatmosphäre filtert. Japan will zum Beispiel im Weltraum ein Gigawatt Sonnenenergie erzeugen. Das Problem besteht darin, die Energie an die Oberfläche zu bringen, wo sie für den Menschen nützlich sein könnte. Die japanische Initiative versucht, Laser für diesen Zweck einzusetzen, aber es ist nicht bekannt, ob die Vermeidung der Atmosphäre insgesamt eine erfolgreiche Strategie sein wird.

Solarzellen wurden durch mehrere Jahrzehnte vorzeitiger Schlagzeilen verkrüppelt, die eine solch erfolgreiche Gesamtstrategie und die bevorstehende Dominanz der Solarenergie ankündigten. Die Realität ist, dass es mit ziemlicher Sicherheit nie einen solchen Eureka-Moment in der Technik geben wird. Die Solarzellentechnologie wird modifiziert und aktualisiert, bis sie einen abstrakten Schwellenwert überschreitet, der auf der Erschwinglichkeit, dem Stand der Energiespeicher- und -übertragungstechnologie und dem lokalen jährlichen Sonnenlicht basiert.

Alle Arten von Solarenergie werden für jeden wirklichen Versuch, grüne Energie auf nationaler Ebene umzusetzen, wichtig sein. Wenn die Fusion keine großen Fortschritte macht oder die klassische Kernenergie nicht viel populärer wird, können Sie darauf wetten, dass Solarenergie ein großer Teil unserer Energiezukunft sein wird.

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