Перевод с немецкого научно-публ. статьи "Сонячні батареї: електроенергія від сонячних променів"

Solarzellen: Strom aus Sonnenlicht

 

Sonnenstrahlen bergen eine Menge Energie. Um an diese Energie zu kommen, gibt es verschiedene Typen von Solaranlagen im Einsatz. Welche es gibt, und wie effektiv die sind, erfahren Sie hier.

 

 Sonnenkollektoren: Heliostatenfeld in Jülich

 

Auf jeden Quadratmeter der Erdoberfläche strahlt die Sonne unter günstigsten Bedingungen etwa eine Leistung von einem Kilowatt ab. Könnte man diese Leistung technisch nutzen, gäbe es keine Energieversorgungsprobleme mehr, der weltweite Bedarf an Strom und Wärme ließe sich mehrere tausend Mal problemlos decken. Mit Solarzellen und -Modulen lässt sich ein Teil des Sonnenlichts direkt in Strom umwandeln. Ein flächendeckender Einsatz wird aber durch die bislang hohen Kosten erschwert. Die meisten klassischen Solarmodule bestehen aus Scheiben aus kristallinem Silizium (den sogenannten Wafern), die aus Quarz (Sand) gewonnen werden. Solche Solarmodule haben Wirkungsgrade von etwa 12 - 17 Prozent und eine garantierte Lebensdauer von etwa 30 Jahren. Inzwischen gibt es aber auch Solarmodule aus extrem dünnen Halbleiterschichten und -verbindungen, die auf flexiblen Folien aufgedampft werden können. Diese Dünnschicht-Solarzellen können erheblich günstiger produziert werden. Sie sind einfacher in der Herstellung und brauchen weniger Material und Energie. Sie haben allerdings noch einen geringeren Wirkungsgrad als die etablierte „klassische“ Photovoltaik. Die Forschung arbeitet daran, die Wirkungsgrade weiter zu steigern, die Lebensdauer zu erhöhen und gleichzeitig die Produktionskosten zu senken. Solarmodule aus mehreren Schichten, die aktiv das Sonnenlicht absorbieren, haben die höchsten Wirkungsgrade. Sie nutzen ein breiteres Spektrum des Lichts. Der Weltrekord liegt zurzeit bei mehr als 41 Prozent (Fraunhofer Institut ISE in Freiburg, 2009, www.ise.fhg.de). In der Entwicklung sind auch Solarzellen aus organischen Materialien. Um abgelegene Siedlungen oder Geräte fernab von anderen Infrastrukturen mit Strom zu versorgen (so genannte Insellösungen), sind Solarmodule ideal.

 

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Solarzellen bestehen aus mindestens zwei Halbleiterschichten mit unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften. Das wird in der Regel durch gezielte Verunreinigung mit Fremdmaterial erreicht. Mit der sogenannten Dotierung werden zwei unterschiedliche Arten von Fremdatomen in die Kristallgitter der Schichten eingefügt. In der Grenzschicht, wo die beiden unterschiedlichen Schichten aufeinander stoßen, entsteht dadurch ein Feld mit einer kleinen elektrischen Spannung. Einfallendes Sonnenlicht (Photonen) gibt Energie an gebundene elektrische Ladungen (Elektronen) in den Festkörperschichten weiter. Diese Elektronen wandern nun zu den Außenkontakten und lassen so einen Gleichstrom fließen.

 

 

Сонячні батареї: електроенергія від сонячних променів

 

Сонячні промені випромінюють багато енергії. Для отримання цієї енергії використовують різні види сонячних систем. У даному тексті ви дізнаєтесь про їх види і наскільки вони є ефективними.

 

Панелі сонячних батарей: поле Геліостата у місті Юліх

 

За найсприятливіших умов, сонце випромінює приблизно один кіловат енергії на кожен квадратний метр земної поверхні. За можливості техічно використовувати  цю енергію, проблем з її постачанням більше не було б, а всесвітню потребу в електроенергії та теплі легко можна було б задовольнити в кілька тисяч разів. За допомогою сонячних батарей та модулів частина сонячного світла може бути безпесоредньо перетворена на електроенергію. Однак, на сьогодні, їх широке використання ускладнюється великими витратами. Більшість класичних сонячних модулів складаються з дисків, виготовлених з кристалічного кремнію (так звані пластини), які отримують з кварцу (піску).  Ефективність таких сонячних модулів становить близько 12 - 17 відсотків і гарантований термін експлуатації - близько 30 років. Тим часом, є також сонячні модулі, виготовлені з надзвичайно тонких напівпровідникових шарів та з'єднань, які можна наносити парою на упругі пластини. Виготовлення таких тонкоплівчатих сонячних батарей є набагато дешевшим. Вони простіші у виробництві та потребують менше матеріалів та енергії. Однак вони менш ефективні, ніж відомі «класичні» фотоелектричні системи. Дослідники працюють над подальшим підвищенням  ефективності, збільшенням терміну служби та одночасно скороченням виробничих витрат. Багатошарові сонячні модулі, які активно поглинають сонячне світло є найбільш ефективними. Вони поглинають більш широкий спектр світла. Світовий рекорд перевищує 41 відсоток (Інститут іоноселективних електродів імені Фраунгофера у місті Фрайбург, 2009 р., www.ise.fhg.de). Також, в стадії розробки знаходяться  сонячні клітини з органічних матеріалів. Сонячні модулі або пристрої, ідеально підходять для подачі електроенергії у віддалені населені пункти , далекі від інших інфраструктур (так зване "ізольоване рішення").

 

Як працюють сонячні батареї?

Сонячні батареї складаються щонайменше з двох напівпровідникових поверхонь з різними електронними властивостями. Зазвичай це зроблено від неминучого забруднення іншими матеріалами.  За допомогою так званого допінгу в кристалічну решітку шарів вставляються два різних типи сторонніх атомів. Поле з невеликою електричною напругою створюється у примежованій поверхні, де зтикаються дві різні площини. Потрапляюче сонячне світло (фотони) передає енергію електричним зарядом (електроном) у твердій оболонці. Ці електрони поступляють до зовнішніх контактів, що створює надходження постійного струму.

Теги: No tags