Big Bang 7, Schulbuch

Klimaänderung und erneuerbare Energie 32 RG 7.1 G 7.2 Strahlungshaushalt der Erde 49 waren bereits 5,5 Millionen m 2 Kollektoren in Betrieb. Das entspricht einer Fläche von rund 700 Fußballfeldern und er- spart den Ausstoß von fast 450.000 Tonnen CO 2 ! 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 Sonnenenergie beruht, und die genau das kann: nämlich Fotovoltaik-Anlagen. Dabei nutzt man den Fotoeffekt aus, um mit Hilfe von Halbleitern Strom zu erzeugen. Info: Solarzelle Prozentuell gesehen ist diese Art der Stromgewinnung so- wohl in Österreich als auch weltweit verschwindend klein. Der große Vorteil 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 eingesetzt – und auch an entlegenen Orten außerhalb der Erde (Abb. 32.23). Inselanlagen benötigen Speicher-Akkus , damit auch ohne Sonnenschein die erfor- derliche Energie zur Verfügung steht. Weil die üblichen, relativ billig herzustellenden Solarzellen momentan einen Wirkungsgrad von nur rund 5 bis 20% auf- weisen, ist diese Art der Stromgewinnung generell ziemlich flächenintensiv. Mit einem Solar-Panel von 1m 2 kann man in unseren Breiten im Schnitt nur rund 25W Leistung er- zeugen, an den günstigsten Orten der Welt 60W (siehe Abb. 32.20). Trotzdem ist es faszinierend abzuschätzen, wie man rein prinzipiell die ganze Welt mit Hilfe der Sonnen- energie versorgen könnte. Info: 6 fette Solarpanele -> S. 50 Abb. 32.23: Alle jemals ein- gesetzten Marsrover waren mit einer Foto- voltaik-Anlage ausge- rüstet. Solarzelle Solarzellen bestehen hauptsachlich 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. 32.24). 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. 32.25). An der Grenzschicht kombinieren sich Elektronen und Elektronenlöcher und es entsteht eine Zone (rot/blau), in der sich praktisch keine i frei beweglichen Ladungsträger befinden. Durch die Ver- schiebung der Elektronen erhält der p-Bereich eine negative und der n-Bereich eine positive Raumladung. Das ist die Voraussetzung für das Erzeugen von Solarstrom. Eine Solarzelle besteht aus einer dünnen n-dotierten und einer dicken p-dotierten Schicht (Abb. 32.26). 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. 33.3, S. 57). Die freigewordenen Elektronen wandern in die positi- ve n-Schicht, die Löcher in die negative p-Schicht. Sonnen- licht wurde in Solarstrom umgewandelt! Abb. 32.24: a) Silicium (4 Valenzelektronen) wird mit Bor (3) „verunrei- nigt“. Dadurch erzeugt man ein „Elektronenloch“, das man als positive Ladung interpretieren kann. b) Nimmt man Arsen (5 Va- lenzelektronen), entsteht ein Elektron, das praktisch frei herum- schwirren kann. Abb. 32.25: Durch Kontakt von p- und n-dotiertem Silicium (etwas an- ders dargestellt als oben) entsteht eine geladene Grenzschicht. Abb. 32.26: Funktions- weise einer Solarzelle Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv