Wie funktionieren Sonnenkollektoren?

Jahrzehntelang als vielversprechende alternative Energiequelle angekündigt, krönen Sonnenkollektoren Dächer und Straßenschilder und sorgen dafür, dass Raumfahrzeuge mit Energie versorgt werden. Aber wie funktionieren Sonnenkollektoren?

Einfach gesagt, ein Sonnenkollektor funktioniert, indem es Photonen oder Lichtteilchen ermöglicht, Elektronen von Atomen frei zu stoßen, wodurch ein Stromfluss erzeugt wird. Sonnenkollektoren bestehen tatsächlich aus vielen, kleineren Einheiten, die als photovoltaische Zellen bezeichnet werden. (Photovoltaik bedeutet einfach, dass sie Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln.) Viele miteinander verbundene Zellen bilden ein Sonnenkollektor.

Jede photovoltaische Zelle ist im Grunde genommen ein Sandwich, das aus zwei Schichten halbleitenden Materials besteht, normalerweise Silizium - das gleiche Material, das in der Mikroelektronik verwendet wird.

Um zu funktionieren, müssen Photovoltaikzellen ein elektrisches Feld aufbauen. Ähnlich wie bei einem Magnetfeld, das aufgrund von entgegengesetzten Polen auftritt, tritt ein elektrisches Feld auf, wenn entgegengesetzte Ladungen getrennt werden. Um dieses Feld zu erhalten, "dotieren" Hersteller Silizium mit anderen Materialien, wobei jeder Scheibe des Sandwich eine positive oder negative elektrische Ladung verliehen wird.

Insbesondere säen sie Phosphor in die obere Siliziumschicht ein, die zusätzliche Elektronen mit einer negativen Ladung zu dieser Schicht hinzufügt. Währenddessen erhält die untere Schicht eine Dosis Bor, was zu weniger Elektronen oder einer positiven Ladung führt. Dies alles summiert sich zu einem elektrischen Feld an der Verbindung zwischen den Siliziumschichten. Wenn dann ein Photon des Sonnenlichts ein Elektron freisetzt, wird das elektrische Feld dieses Elektron aus dem Siliziumübergang herausdrücken.

Ein paar andere Komponenten der Zelle verwandeln diese Elektronen in nutzbare Energie. Metallische leitfähige Platten an den Seiten der Zelle sammeln die Elektronen und übertragen sie zu Drähten. Zu diesem Zeitpunkt können die Elektronen wie jede andere Elektrizitätsquelle fließen.

Kürzlich haben Forscher ultradünne, flexible Solarzellen hergestellt, die nur 1,3 Mikrometer dick sind - etwa 1/100 der Breite eines menschlichen Haares - und 20 Mal leichter sind als ein Blatt Büropapier. Tatsächlich sind die Zellen so leicht, dass sie auf einer Seifenblase sitzen können, und dennoch produzieren sie Energie mit etwa der gleichen Effizienz wie Solarzellen auf Glasbasis, berichteten Wissenschaftler in einer 2016 in der Fachzeitschrift Organic Electronics veröffentlichten Studie. Leichtere, flexiblere Solarzellen wie diese könnten in Architektur, Luft- und Raumfahrttechnik oder sogar tragbare Elektronik integriert werden.

Es gibt andere Arten von Solarenergietechnologie - einschließlich solarthermischer und konzentrierter Solarenergie (CSP) -, die anders als photovoltaische Solarmodule arbeiten, aber alle nutzen die Kraft des Sonnenlichts, um entweder Elektrizität zu erzeugen oder Wasser oder Luft zu erhitzen.

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