Mit der vorliegenden Facharbeit soll die Technik untersucht werden, die hinter Photovoltaik steckt.
Dabei soll zunächst ein Einblick in die Halbleiterthematik erfolgen, die universell für die photovoltaische Energiegewinnung ist, um daraufhin mit den Kenntnissen die komplexe Funktionsweise einer Solarzelle zu erläutern. Im Rahmen dieser Facharbeit wird eine Eingrenzung auf kristalline Solarzellen aus dem Halbleiter Silizium vorgenommen, die weltweit am verbreitetsten sind.
Vor dem Hintergrund der erschöpfenden fossilen Energieträger und dem fortschreitenden Klimawandel wäre die Facharbeit nicht vollständig, wenn nicht auch der Frage über die Bedeutung der photovoltaischen Energiegewinnung für ein zukünftiges Energiesystem in Deutschland nachgegangen werden würde.
Durch Betrachtung verschiedener Faktoren soll dazu eine Einschätzung des Potenzials der Photovoltaik erfolgen. Zudem wird zum Schluss ein Ausblick über die Realisierbarkeit einer nachhaltigen Energieversorgung in Deutschland durch Kombination verschiedener regenerativer Energieträger gemacht.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen der photovoltaischen Energiegewinnung
2.1 Halbleiter
2.1.1 Bändermodell
2.1.2 Leitungsmechanismen im Halbleiter
2.2 Solarzelle
2.2.1 Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Solarzelle
2.2.2 Funktionprinzip einer Solarzelle
2.2.3 Wirkungsgrad und Verluste in einer kristallinen Solarzelle
2.2.4 Energetische Amortisationszeit
3 Bedeutung der photovoltaischen Energiegewinnung für ein zukünftiges Energiesystem in Deutschland
3.1 Problematik der derzeitigen Energieversorgung in Deutschland
3.2 Realisierbares Potenzial der Photovoltaik in Deutschland
3.2.1 Globalstrahlung in Deutschland
3.2.2 Flächenpotenzial in Deutschland
3.2.3 Stromerzeugungspotenzial in Deutschland
3.3 Kombination regenerativer Energieträger
3.3.1 Energiespeichermöglichkeiten
3.3.2 Stromgestehungskosten
4 Abschließender Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die technische Funktionsweise kristalliner Silizium-Solarzellen sowie deren Potenzial und Bedeutung für die zukünftige Energieversorgung Deutschlands im Kontext der Energiewende.
- Physikalische Grundlagen von Halbleitern und Solarzellen
- Aufbau und Funktionsweise kristalliner Silizium-Solarzellen
- Analyse des photovoltaischen Potenzials in Deutschland
- Kombination mit anderen regenerativen Energieträgern und Speichertechnologien
- Wirtschaftliche Aspekte und Entwicklung der Stromgestehungskosten
Auszug aus dem Buch
2.2.2 Funktionprinzip einer Solarzelle
Die Generation von freien Ladungsträgern im Halbleiter erfolgt durch thermische oder optische Anregung (vgl. Abschnitt 2.1.2). Für die photovoltaische Nutzung von Halbleitern ist jedoch vor allem die optische Anregung durch Lichtquanten, so genannten Photonen, von Interesse. Die auf die Solarzellen treffenden Photonen können durch ihre hohe Energie Valenzbindungen in den Halbleiterstrukturen aufbrechen und ein Elektronen-Loch-Paar erzeugen. Das dabei ionisierte Elektron wird vom Valenzband ins Leitungsband angehoben, was als innerer Photoeffekt bezeichnet wird (vgl. Abb. 7).
Photonen werden in der Solarzelle absorbiert, wobei abhängig von der Wellenlänge des Lichtes energiereiches kurzwelliges Licht fast vollständig absorbiert wird und energieärmeres langwelliges Licht für den Halbleiter nahezu transparent ist. Silizium hat einen Bandabstand von 1,124 eV. Damit ein Photon ein Elektron vom Valenzband ins Leitungsband anheben kann, muss es mindestens diese Energie besitzen. Die Grenzwellenlänge λg für das einfallende Licht beträgt 1100 Nanometer (nm), bei der noch Ladungsträger generiert werden können.
Die durch die Absorption der Photonen erzeugten Ladungsträger befinden sich innerhalb der Raumladungszone oder im Abstand einer Diffusionslänge von bis zu 16 μm. Durch das elektrische Feld an der Raumladungszone erfolgt eine Trennung der Ladungsträger, wobei die Elektronen in das n-Gebiet und die Löcher in das p-Gebiet beschleunigt werden. Die Elektronen sammeln sich an den Metallkontakten der Oberseite, die Löcher an der metallisierten Rückseite der Solarzelle. Schließt man diese beiden Enden der Solarzelle kurz, fließen die Elektronen über einen Wechselrichter, der die erzeugte Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt, und einem elektrischen Verbraucher, um schließlich an der metallisierten Rückseite mit den Löchern zu rekombinieren.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung thematisiert den steigenden Verbrauch fossiler Energieträger seit der industriellen Revolution und führt die Photovoltaik als notwendige, nachhaltige Technologie zur Elektrizitätserzeugung ein.
2 Grundlagen der photovoltaischen Energiegewinnung: Dieses Kapitel erläutert die physikalischen Grundlagen der Halbleiterphysik, den Aufbau und das Funktionsprinzip von Solarzellen sowie Faktoren, die den Wirkungsgrad und die energetische Amortisation beeinflussen.
3 Bedeutung der photovoltaischen Energiegewinnung für ein zukünftiges Energiesystem in Deutschland: Es wird die aktuelle Problematik der Energieversorgung analysiert und das Potenzial der Photovoltaik in Deutschland unter Berücksichtigung von Strahlung, Flächenverfügbarkeit, Speicherbedarf und Kostenentwicklungen beleuchtet.
4 Abschließender Ausblick: Der Ausblick resümiert die Rolle der Photovoltaik als wichtigen Pfeiler für eine zukünftige nachhaltige Energieversorgung in Deutschland und betont die Notwendigkeit politischer Unterstützung sowie technologischer Kombinationen.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Silizium, Solarzelle, Halbleiter, Energiewende, Erneuerbare Energien, Wirkungsgrad, Stromgestehungskosten, Energiespeicher, Globalstrahlung, n-Dotierung, p-Dotierung, p-n-Übergang, innerer Photoeffekt, Nachhaltigkeit
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Facharbeit behandelt die technische Funktionsweise von kristallinen Silizium-Solarzellen und analysiert deren Rolle und wirtschaftliches Potenzial für eine nachhaltige Stromversorgung in Deutschland.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themenfelder umfassen die Halbleiterphysik, die Funktionsweise und Verluste von Solarzellen, die Bewertung des deutschen Stromerzeugungspotenzials sowie die Integration in das zukünftige Energiesystem.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, die Komplexität der photovoltaischen Stromerzeugung zu erläutern und einzuschätzen, inwieweit die Photovoltaik in Verbindung mit anderen regenerativen Energien eine nachhaltige Energieversorgung in Deutschland realisieren kann.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es handelt sich um eine theoretische Arbeit, die auf einer umfassenden Literaturanalyse wissenschaftlicher Publikationen, Studien und technischer Grundlagenwerke basiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden zunächst die physikalischen Grundlagen (Halbleiter, Bändermodell, Dotierung) und die Solarzellentechnik behandelt, gefolgt von einer Analyse der Standortbedingungen und systemischer Herausforderungen in Deutschland, wie Speicherung und Kosten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den prägenden Schlüsselbegriffen gehören Photovoltaik, Silizium-Solarzelle, Energiewende, Stromgestehungskosten und Energiespeichersysteme.
Warum wird speziell Silizium als Halbleitermaterial betrachtet?
Silizium ist weltweit das am weitesten verbreitete Halbleitermaterial in der Photovoltaik-Industrie und dominiert den Markt aufgrund seiner spezifischen elektronischen Eigenschaften und Verfügbarkeit.
Welche Rolle spielen Energiespeicher für die Photovoltaik in Deutschland?
Da die solare Einstrahlung fluktuiert, sind Energiespeicher notwendig, um die Versorgungssicherheit auch bei schwankender Erzeugung und Nachfrage zu gewährleisten und saisonale Ausgleiche zu ermöglichen.
Wie entwickeln sich die Stromgestehungskosten laut der Arbeit?
Die Arbeit zeigt, dass die Stromgestehungskosten für Photovoltaik kontinuierlich sinken, während die von fossilen Energieträgern aufgrund der Verknappung der Ressourcen tendenziell steigen werden.
- Arbeit zitieren
- Anonym (Autor:in), 2015, Energiegewinnung durch Photovoltaik, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/922837
