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Wie funktionieren Sonnenkollektoren?
Datum: 2017-03-05 Zugriffe: 128

Sonnenkollektoren ermöglichen es Photonen (Lichtteilchen) aus dem Sonnenlicht, Elektronen von Atomen zu befreien. Silizium alleine kann keinen elektrischen Strom transportieren, deshalb ist Silizium in Solarteilchen unrein und wird mit Phosphor kombiniert. In Kombination mit Phosphor können die Elektronen frei delokalisiert werden, um die elektrische Ladung zu transportieren. Dieser Vorgang des Hinzufügens von Verunreinigungen wird als Dotierung bezeichnet.

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Das Ergebnis ist sogenanntes N-Typ-Silizium und das, was Sie auf der Oberfläche von Sonnenkollektoren finden. Unterhalb dieser Schicht aus Silizium vom N-Typ befindet sich der gegenüberliegende Spiegel: Silizium vom P-Typ. Beim P-Typ werden Verunreinigungen aus Elementen wie Gallium oder Bor verwendet, wobei das Material Platz für andere Elektronen bietet. Dies erzeugt ein elektrisches Magnetfeld, bei dem die obere Siliziumschicht vom N-Typ negativ und das Silizium vom P-Typ positiv ist. Elektronen werden in der N-Typ-Schicht von Atomen befreit und bewegen sich in Richtung der p-Typ-Schicht, um die leeren Elektronenräume zu füllen. Der Elektronenfluss erzeugt Elektrizität.

Was macht ein Solarpanel aus?


Sonnenkollektoren bestehen aus Siliziumschichten. Silizium bildet eine harte und spröde Kristallstruktur und ist das zweithäufigste Element auf der Erde. Dieses halbleitende Material kann gezüchtet werden, und Wissenschaftler züchten Silizium in einer Röhre als einen einzigen, gleichmäßigen Kristall. Dann wickeln sie die Röhre ab und schneiden die Folie in "Waffeln", um sie so dünn wie möglich zu machen. Die meisten Solarmodule haben einen Wirkungsgrad zwischen 10 und 20 Prozent. Vor einem Jahrzehnt hatten Sonnenkollektoren Wirkungsgrade um 13%. In 2019 ist es auf 20% gestiegen. Die Obergrenze für Silizium liegt aufgrund der Beschaffenheit des Siliziums bei 29%.

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Damit zukünftige Solarzellen aktuelle Solarzellen ersetzen können, müssen sie in der Lage sein, mehr Licht einzufangen, Licht effizienter in Energie umzuwandeln und kostengünstiger zu bauen als aktuelle Designs.

Die erste Option zur Verbesserung von Solarzellen wäre die Hinzufügung von Hardware, mit der sie mehr Licht einfangen können. Das bedeutet, dass wir nicht auf aktuelle Solarzellendesigns verzichten müssen. In Solarzellen kann Elektronik installiert werden, die es ihnen ermöglicht, die Sonne zu verfolgen, während sie sich durch den Himmel bewegt. Wenn Solarzellen immer in Richtung Sonne zeigen, kann mehr Licht auf die Solarzellen fallen und wiederum mehr Strom erzeugt werden. Derzeit ist die Entwicklung von Elektronik, die diese Funktion erfüllen kann, eine ständige Herausforderung, doch die Innovation auf diesem Gebiet wird fortgesetzt. Anstatt Solarzellen in Bewegung zu versetzen, können wir auch Spiegel installieren, um das Licht auf eine kleinere, daher billigere Solarzelle zu fokussieren.

Ein weiterer Weg, um die Leistung von Solarzellen zu verbessern, besteht darin, deren Effizienz zu optimieren. Solarzellen mit mehr als einer Schicht Licht einfangendem Material können mehr Licht einfangen. Kürzlich haben im Labor getestete Solarzellen in vier Schichten Licht mit 46% Wirkungsgrad eingefangen. Diese Zellen sind meist noch zu teuer und für den kommerziellen Einsatz schwierig zu produzieren, aber die laufenden Forschungen könnten diese supereffizienten Zellen eines Tages zur neuen Norm machen.

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In naher Zukunft dürften die Kosten für Siliziumsolarzellen weiter sinken, wodurch sie insbesondere in Entwicklungsländern künftig für mehr Menschen zugänglich werden. In den Vereinigten Staaten wird erwartet, dass die Kostenreduzierung die von 500 erzeugte Solarenergie um% von 2050 erhöht. Theoretisch brauchen wir 4,000,000 Quadratmeter Solarzellen, um die ganze Welt, wie wir sie heute kennen, mit Strom zu versorgen. Um das in die richtige Perspektive zu rücken: Die Sahara-Wüste ist 3,600,000 Quadratmeter groß.

Solarenergie hat viel Potenzial, die meisten Länder, in denen es noch an Strom mangelt, sind heiße, sonnige Länder. Für diese Länder wäre die Anpassung der Solarenergie wesentlich effizienter, sicherer und sauberer als Kerosin. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass Länder in Europa jemals ausschließlich auf Solarenergie angewiesen sind, da tagsüber kein beständiges Sonnenlicht vorhanden ist.

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In einigen Jahren werden auf unseren Dächern und Solarparks wahrscheinlich Alternativen zu Silizium auftauchen, die dazu beitragen, saubere und erneuerbare Energiequellen bereitzustellen. Wir werden auch eine verstärkte Massenfertigung von Solarzellen und neue Technologien sehen, die die Zellen billiger und effizienter machen werden.

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