Big Bang HTL 4, Schulbuch

Klimaänderung und erneuerbare Energie 19 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) 179 Heißes Wasser ist eine feine Sache, aber damit kann man keine elektrischen Geräte betreiben. Es gibt aber noch eine zweite grundlegende Technik, die auf der Nutzung der Son- nenenergie beruht und die genau das kann: nämlich Photo- voltaik-Anlagen . Dabei nutzt man den Fotoeffekt aus, um mit Hilfe von Halbleitern Strom zu erzeugen. Prozentuell ge- sehen ist diese Art der Stromgewinnung sowohl in Öster- reich als auch weltweit verschwindend klein. Der große Vor- teil liegt aber darin, dass man mit solchen Anlagen völlig unabhängig vom Netz Strom erzeugen kann. Man spricht dann von Inselsystemen . Diese werden etwa in entlegenen Wohnhäusern, Schrebergartenhäusern oder Almhütten ein- gesetzt – und auch an entlegenen Orten außerhalb der Erde (Abb. 19.23). Inselanlagen benötigen Speicher-Akkus , damit auch ohne Sonnenschein die erforderliche Energie zur Verfü- gung steht. Info: Solarzelle Abb. 19.23: Alle jemals eingesetzten Marsrover waren mit einer Photovoltaik-Anlage ausgerüstet. Weil die billig herzustellenden Solarzellen momentan einen Wirkungsgrad von nur rund 5 bis 20% aufweisen, ist diese Art der Stromgewinnung flächenintensiv. Mit einem So- lar-Panel von 1 m 2 kann man in unseren Breiten im Schnitt nur rund 25 W Leistung erzeugen, an den günstigsten Orten der Welt 60 W (siehe Abb. 19.20). Trotzdem ist es faszinierend abzuschätzen, wie man rein prinzipiell die ganze Welt mit Hilfe der Sonnenenergie versorgen könnte. Info: 6 fette Solarpanele -> S. 180 Solarzelle Solarzellen bestehen hauptsächlich aus Silicium (Si). Dieser Halbleiter besitzt vier Valenzelektronen (Außenelektronen). Wenn man Silicium mit anderen Stoffen „verunreinigt“ (dotiert), die 5 oder 3 Valenzelektronen besitzen, kann man Stoffe mit weniger beziehungsweise mehr freien Elektronen erzeugen (Abb. 19.24). Wichtig: Die Stoffe sind nach wie vor elektrisch neutral . Die Bezeichnung n und p bezieht sich auf die relative Anzahl der frei beweglichen Elektronen. Interessant wird es nun, wenn man n- und p-dotierte Halb- leiter in Kontakt bringt (Abb. 19.25). An der Grenzschicht kombinieren sich Elektronen und Elektronenlöcher und es entsteht eine Zone (rot/blau), in der sich praktisch keine frei beweglichen Ladungsträger befinden. Durch die Verschie- bung der Elektronen erhält der p-Bereich eine negative und der n-Bereich eine positive Raumladung. Das ist die Voraus- setzung für das Erzeugen von Solarstrom. i Eine Solarzelle besteht aus einer dünnen n-dotierten und einer dicken p-dotierten Schicht (Abb. 19.26). Die n-Schicht muss sehr dünn sein (rund 10 –6 m), damit die Photonen die- se durchdringen und in die Grenzschicht gelangen können. Wenn sie dort auf ein Atom treffen, können sie ein Elektron ablösen. Das nennt man den Fotoeffekt (siehe Kap. 12.2). Die freigewordenen Elektronen wandern in die positive n-Schicht, die Löcher in die negative p-Schicht. Sonnenlicht wurde in Solarstrom umgewandelt! Abb. 19.24: a) Silicium (4 Valenzelektronen) wird mit Bor (3) „verun- reinigt“. Dadurch erzeugt man ein „Elektronenloch“, das man als positive Ladung interpretieren kann. b) Nimmt man Arsen (5 Valenzelektronen), entsteht ein Elektron, das praktisch frei herumschwirren kann. Abb. 19.25: Durch Kontakt von p- und n-dotiertem Silicium (etwas anders dargestellt als oben) entsteht eine geladene Grenzschicht. Abb. 19.26: Funktionsweise einer Solarzelle Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv