- Das Solarmodul ist für die Umwandlung von Sonnenstrahlen in Strom verantwortlich.
- Ermöglicht wird dieser Prozess durch Solarzellen und den photovoltaischen Effekt.
- Die Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial, meist Silizium, dem ein anderes Element mit mehr oder weniger Elektronen hinzugefügt wird.
- Die Solarzellen nehmen Energieteilchen von der Sonne auf, wenn sie mit deren Strahlen in Berührung kommen. Die Energie löst dann Elektronen aus ihren Atomen, die dann durch das Panel fließen können.
- Durch die Bewegung der Elektronen entsteht eine Potenzialdifferenz, die zur Erzeugung von Strom führt, der dann von den Anschlüssen des Panels abgezapft und ins Haus geleitet wird.
Was ist ein Solarmodul?
Solarmodule sind glasähnliche Geräte, die oft auf dem Dach oder an einem anderen geeigneten Ort installiert werden. Die Module werden in der Regel so befestigt, dass sie in die Richtung der Sonne zeigen.
Solarmodule unterscheiden sich in ihrem Aussehen, denn es gibt drei verschiedene Typen: monokristalline, polykristalline und amorphe Dünnschichtsolarmodule. Die drei Typen unterscheiden sich nicht nur im Aussehen, sondern auch im Wirkungsgrad, der ein entscheidender Faktor für jede installierte Solarstromanlage ist.
Woraus bestehen Solarmodule?
Solarmodule bestehen aus vielen kleinen Einheiten, die Solarzellen genannt werden und in Reihe geschaltet sind. Jede dieser Zellen besteht aus dünnen Siliziumplättchen. Silizium ist ein Halbleitermaterial. In der Natur kommt es als harter und spröder kristalliner Feststoff vor, der zur Familie der Kohlenstoffe gehört. Bei der Herstellung von Solarzellen wird Silizium mit Elementen wie Bor und Gallium dotiert, um seine elektrischen Eigenschaften zu verbessern.
Silizium wird für die Herstellung von Solarzellen bevorzugt, weil es mehrere Vorteile gegenüber anderen Materialien hat. Dazu gehören die Verfügbarkeit und die Tatsache, dass es leicht zu schmelzen und in die gewünschte Größe und Form zu bringen ist.
Die vielen Solarzellen in einem Panel sind mit einem Antireflexionsmaterial beschichtet. Dadurch wird sichergestellt, dass möglichst viel Sonnenlicht auf die Oberfläche fällt und die Sonnenenergie absorbiert und nicht reflektiert wird. Ein Solarmodul besteht außerdem aus einer Glasabdeckung, deren Aufgabe es ist, die Solarzellen vor Beschädigungen zu schützen.
Wie funktionieren Solarmodule?
- P-Typ- und N-Typ-Schichten
- Der photovoltaische Effekt
P-Typ- und N-Typ-Schichten
Jedes Solarmodul ist so konstruiert, dass es zwei Halbleiterschichten hat, den p-Typ und den n-Typ. Die beiden sind durch einen p-n-Übergang getrennt.
P-Typ bedeutet einfach ausgedrückt, dass dieser Bereich positiv geladen ist. Diese Schicht befindet sich auf der unteren Seite der Platte.
Der n-Typ hingegen bedeutet, dass dieser Halbleiterabschnitt negativ geladen ist. Die n-Typ-Schicht befindet sich auf der Oberseite des Panels, wo sie der Sonne ausgesetzt ist.
Die beiden Halbleiterschichten sind dotiert, d.h. sie sind mit einem anderen Element angereichert, dem ein Elektron fehlt oder das ein zusätzliches Elektron hat. Dadurch wird ein Ungleichgewicht geschaffen, das die Bewegung der freien Elektronen, die negativ geladen sind, erleichtert.
Der photovoltaische Effekt
Die Umwandlung von Licht in Strom durch ein Solarmodul wird durch den photovoltaischen Effekt ermöglicht. Dabei handelt es sich um einen physikalischen und chemischen Prozess, der es bestimmten Materialien ermöglicht, eine elektrische Spannung oder einen Strom zu erzeugen, wenn sie von einem Sonnenstrahl getroffen werden.
Unter normalen Bedingungen sind die Solarzellen inaktiv, weil ihre Atome fest zusammengehalten werden. Das bedeutet, dass es keine freien Elektronen gibt.
Das ändert sich jedoch, wenn Energieteilchen von der Sonne, sogenannte Photonen, auf das Panel fallen. Sie werden von den Zellen absorbiert, wodurch die Schichten mit Energie versorgt werden. Dadurch können sich die Elektronen aus den Atomen des Halbleitermaterials lösen.
Da die p- und n-Schichten entgegengesetzte Ladungen haben, versuchen die Elektronen, sich über den positiv-negativen Übergang zu bewegen, nachdem sie von den Atomen getrennt wurden.
Der Übergang ist so gestaltet, dass er nur Elektronen von der p-Typ- zur n-Typ-Schicht durchlässt. Durch die Bewegung der Elektronen entsteht ein Unterschied im elektrischen Potenzial, der dann zum Stromfluss führt.
Die Solarenergie macht sich dies zunutze, indem die Zellen mit einem externen Stromkreis versehen werden, der den Fluss des erzeugten Stroms in die Ausgangsklemmen des Panels erleichtert. Von dort wird er über elektrische Leitungen in das Haus geleitet.
Je nach Art der Solarstromanlage kann der erzeugte Strom in eine Batteriebank oder einen Wechselrichter eingespeist oder sogar direkt genutzt werden.
Wie viel Energie erzeugt ein Solarmodul?
Der photovoltaische Effekt bestimmt die Menge an Strom, die von einem Modul erzeugt wird. Die von einem Solarmodul erzeugte Strommenge hängt vom photovoltaischen Effekt ab, der auch von der Intensität der Sonne beeinflusst wird.
Wenn helleres Sonnenlicht auf alle Solarzellen eines Moduls trifft, werden viele Elektronen freigesetzt. Dadurch können sie sich frei über den Übergang bewegen, wodurch eine höhere elektrische Differenz entsteht, die zu mehr Strom führt.
Wenn jedoch nur wenige Zellen dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, sinkt die Gesamtleistung des Moduls, da es nur wenige freie Elektronen gibt. Deshalb solltest du darauf achten, dass kein Teil eines installierten Solarmoduls verschattet ist.
Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Module auch mit Bypass-Dioden ausgestattet sind. Da Solarzellen in Reihe geschaltet sind, kann der Ausfall einer oder mehrerer Zellen die Leistung eines Solarmoduls beeinträchtigen.
Aus diesem Grund sind die Module mit Bypass-Dioden ausgestattet, die dafür sorgen, dass der Strom über beschattete Zellen fließt, die keinen Strom produzieren.
Trotzdem verbessert das Bypassing die Effizienz eines Solarmoduls nicht, da es am besten funktioniert, wenn alle Zellen Photonen absorbieren und Strom produzieren.
Welche Art von Strom wird von einem Solarmodul erzeugt? Gleichstrom vs. Wechselstrom
Solarmodule erzeugen Gleichstrom (DC). Gleichstrom ist eine Art von Elektrizität, bei der die Elektronen in eine Richtung fließen, nämlich vom negativen zum positiven Pol eines Stromkreises.
Gleichstrom kann in dieser Form verwendet werden, oder er kann durch einen Wechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden.
Wechselstrom (AC) bezieht sich auf eine Art von Elektrizität, bei der die Elektronen regelmäßig ihre Richtung ändern. Einmal fließen sie in Vorwärtsrichtung und das nächste Mal in Rückwärtsrichtung.
In Solarstromanlagen wird zu Hause üblicherweise Wechselstrom im Gegensatz zu Gleichstrom verwendet, und zwar aus zwei Hauptgründen:
- Die meisten der auf dem Markt erhältlichen elektrischen Geräte und Apparate verwenden Wechselstrom.
- Im Gegensatz zu Gleichstrom kann Wechselstrom ohne großen Energieverlust über große Entfernungen übertragen werden. Wechselstrom wird dadurch ermöglicht, dass die Spannung mit Hilfe von Transformatoren, die in Elektrogeräten zu finden sind, erhöht oder gesenkt werden kann. Wechselstrom ist für den Hausgebrauch sicherer, weil die Spannung je nach Bedarf auf den richtigen Wert reduziert werden kann.
Definition der Begriffe
- Halbleiter – Jedes Material, dessen elektrische Eigenschaften zwischen denen eines guten Stromleiters und eines Isolators liegen. Es ist also weder ein guter Leiter noch ein guter Isolator.
- Photovoltaik – Die Wissenschaft der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität mit Hilfe von Photovoltaikzellen, die aus Halbleitermaterialien bestehen.
- Elektronen – Das sind die negativ geladenen subatomaren Teilchen, die sich außerhalb des Atomkerns befinden. Sie sind für den Stromfluss von einem Atom zum anderen verantwortlich.
- Photonen – Sie sind die Grundteilchen des Lichts, die Energie enthalten. Die Energie wird genutzt, um Elektronen von ihren Atomen in einem Halbleitermaterial zu trennen.
- Silizium – Es ist ein chemisches Element mit halbleitenden Eigenschaften und wird normalerweise für Solarzellen verwendet.
- Dotierung – Einem Halbleitermaterial werden Verunreinigungen zugesetzt, um seine elektrischen Eigenschaften zu verbessern.
