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Wie funktioniert eine Solarzelle? Solarzelle einfach erklärt | Physik Academy
Physik Erklärt In diesem Video wird einfach erklärt, wie eine Solarzelle funktioniert und wie der Aufbau einer Solarzelle aussieht.
Timestamps:
0:00 Intro
0:23 Aufbau einer Solarzelle
1:13 Silicium-Atom
1:57 Phosphor-Atom
2:28 Bohr-Atom
2:49 Entstehung elektrisches Feld
3:40 Outro
►nützliche Links zum Thema:
http://sms.ckw.ch/content/ckwsms/de/startseite/mittelstufe/solaranlage-erklaert.html
https://www.solaranlagen-abc.de/funktion-photovoltaik/
►Skript:
Solarzellen findet man heutzutage fast überall, ob auf Dächern Satelliten oder Taschenrechnern. Solarzellen sind aus unserem Alltag fast nicht mehr wegzudenken. Dabei wird Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umgewandelt. Die Grundlage dafür ist der fotoelektrische Effekt. Heute klären wir wie eine Solarzelle überhaupt funktioniert?
Dazu schauen wir uns erst einmal den einfachen Aufbau einer Solarzelle an. Ein Metallkontakt bildet den unteren Anschluss der Solarzelle. Darauf folgt eine Siliziumschicht die in 2 Unterschichten unterteilt ist. Die obere Schicht ist extrem dünn, was dazu führt, dass das Sonnenlicht durch diese obere Schicht in die untere Schicht gelangen kann. Darauf kommen wir aber gleich noch zu sprechen. Eine blau schimmernde Schicht aus Titanoxid verhindert Reflexionsverluste und sorgt damit dafür, dass möglichst viel Sonnenlicht in die Solarzelle gelangen kann. Dann kommt ein weiterer Metallkontakt welcher aber nur aus dünnen Streifen besteht. Diese dünnen Streifen dienen wieder dazu, dass möglichst wenig Sonnenlicht verloren geht. Dazu kommen dann noch Anschlussdrähte, an die ein Verbraucher angeschlossen werden kann.
Sehen wir uns nun ein Siliziumatom an. Der kern besteht aus jeweils 14 Protonen und Neutronen. Protonen sind positiv geladene Elementarteilchen wohingegen Neutronen neutral geladen sind. Um den Kern kreißen wie auf Planetenbahnen 14 Elektronen. Diese sind negativ geladene Elementarteilchen. Silizium steht im Periodensystem in der vierten Hauptgruppe und hat demnach 4 Außenelektronen. Nur diese 4 Außenelektronen sind für uns wichtig.
Wir haben in der Realität natürlich nicht ein einzelnes Siliziumatom sonder ganz viele, welche miteinander eine stabile Bindung eingehen, die Elektronenpaarbindung. Dieses Gitter ist zwar stabil, kann jedoch kaum Strom leiten. Dazu brauchen wir noch etwas anderes.
Wir bauen nun Phosphor in das Gitter ein. Phosphor besitzt nun 15 Elektronen. Wir schauen uns wieder nur die Außenelektronen an. Phosphor unterscheidet sich von Silizium, indem es 5 Außenelektronen besitzt.
Wenn wir Phosphor nun in das Silizium Gitter einbauen kann Phosphor mit Silizium keine stabile Bindung eingehen, da Phosphor ein Elektron zu viel besitzt.
Schauen wir uns jetzt noch das Bor Atom an. Dieses Besitzt lediglich 5 Elektronen, wobei es 3 für uns relevante Außenelektronen besitzt.
Bauen wir nun Bor in das Silizium Gitter ein bemerken wir, dass es ebenfalls keine feste Bindung eingehen kann, da ein Elektron fehlt. Dort entsteht sozusagen ein Loch.
Nun können wir uns aber mit einem Trick weiterhelfen. Bauen wir jeweils in getrennte Schichten Phosphor und Siliziumatom ein, so können die freien Elektronen der Phosphor Atome die Löcher bei den Bor Atomen stopfen. Da nun aber oben Elektronen fehlen und unten zu viele Elektronen sind entsteht oben ein Pluspol und unten ein Minuspol. Dadurch entsteht ein Elektrisches Feld.
Fällt nun Sonnenlicht ein so können die Elektronen bei den Boratomen gelöst werden. Aufgrund des soeben enstandenden elektrischen Feldes bewegen sich die freien Elektronen hin zum Pluspol, da sich entgegengesetzte Ladungen immer anziehen. Durch die Bewegung der Elektronen entsteht ein Strom.
Schauen uns wir uns das von außen an, so sehen wir, dass die Elektronen sich nach oben bewegen. Da sie aber wieder an ihren ursprünglichen Platz zum Boratom wollen, müssen sie einen Umweg um das elektrische Feld machen. Dieser Umweg führt über einen Leite, an den ein Verbraucher in diesem Falle eine Lampe angeschlossen ist. Die Lampe beginnt zu leuchten.
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