Wie erfolgt die Energieerzeugung in einem Photovoltaik-Modul? Der Prozess erklärt

Photovoltaik-Module von AE Solar.

Das Solarmodul ist eine wesentliche Ausrüstung zur Erzeugung von Photovoltaik-Strom. Es besteht aus kleinen Zellen, die aus Halbleitermaterialien wie Silizium gefertigt sind und sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet sind. Wenn die Photonen (Lichtteilchen der Sonne) auf die photovoltaischen Zellen treffen, bewegen sich einige der Elektronen, die die Atome umgeben, zur Teil der Zelle, die keine Elektronen besitzt. Diese Bewegung erzeugt einen elektrischen Strom und damit die solare Photovoltaik-Energie. Sehen Sie sich im Folgenden die Schichten an, aus denen das photovoltaische Platin besteht.

Was ist der photoelektrische Effekt?

Der photoelektrische Effekt tritt auf, wenn Licht absorbiert wird und ein Elektron oder ein anderer Ladungsträger in einen Zustand höherer Energie angeregt wird. Detaillierter ausgedrückt ist es das Potentialgefälle, das im Inneren der Zelle entsteht, verursacht durch die Bewegung der Elektronen und Atome (Rohstoff der Zelle), wenn sie auf Photonen treffen.

Zusammengesetzt aus gleichen Teilen Halbleitermaterial verändern Siliziumzellen, die mit anderen Elementen vermischt sind, ihre Struktur. In diesem Prozess werden positive und negative Elektronen getrennt, was zu einem Mangel (Lücken) an positiven Elektronen führt.

Wenn sich positive und negative Elektronen verbinden, entsteht ein elektrisches Feld, das die Vereinigung von überschüssigen (negativen) mit fehlenden (positiven) Elektronen verhindert. Wenn die Zellen Sonnenlicht absorbieren, erhalten die Elektronen Energie von den Photonen und lösen sich aus der Anziehungskraft. Durch die Ansammlung von Elektronen an der negativen Seite entsteht zusammen mit den Lücken ein „Netz" auf einer der Seiten der Zellen, das freie Elektronen einfängt und somit den elektrischen Strom erzeugt.

Die Stromerzeugung in photovoltaischen Zellen erfolgt in mehreren Schritten, die die Sammlung und Bewegung von Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) sowie die Spannungserzeugung umfassen. Hier ist eine Zusammenfassung dieser Schritte:

• Sammlung der lichtgenerierenden Transporter: Wenn Sonnenlicht auf die Solarzellen fällt, regen die Photonen des Lichts die im Halbleitermaterial des Moduls vorhandenen Elektronen an. Diese angeregten Elektronen (erzeugte Träger) und die daraus resultierenden Löcher (positive Ladungen, die von den angeregten Elektronen zurückgelassen werden) werden dann freigesetzt und bewegen sich durch das Halbleitermaterial.
• Erzeugung der Träger (Elektronen und Löcher): Die Energie der von der Solarzelle absorbierten Photonen wird auf die Elektronen in ihrer Halbleiterstruktur übertragen, was es ihnen ermöglicht, sich zu bewegen und einen elektrischen Strom zu erzeugen. Diese angeregten Elektronen werden dann von den metallischen Kontakten des Moduls gesammelt, während die Löcher von anderen benachbarten Kontakten eingefangen werden.
• Spannungserzeugung durch Solarzellen: Während die Elektronen von den metallischen Kontakten gesammelt werden, werden sie gezwungen, durch einen externen Kreislauf zu fließen und so einen elektrischen Strom zu erzeugen. Dieser Strom wird durch das Potentialgefälle zwischen dem Bereich des Halbleitermaterials, in dem die Elektronen angeregt werden, und dem Bereich, in dem sie gesammelt werden, induziert. Dieses Potentialgefälle ist als Leerlaufspannung (Voc) bekannt und ist für die Spannungserzeugung in Solarzellen verantwortlich.

Die Stromerzeugung umfasst zwei Prozesse. Der erste Teil ist die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren durch einfallende Photonen. Die angeregten Elektronen und Löcher sind jedoch metastabil und existieren im Durchschnitt nur für eine Zeitspanne, die dem Lebenszeit des Minderheitsträgers entspricht, bevor sie sich rekombinieren. Wenn sich der Träger rekombiniert, geht das durch Licht erzeugte Elektron-Loch-Paar verloren und es kann kein Strom oder Energie erzeugt werden. Der zweite Prozess ist die Trennung dieser Träger. Dies wird erreicht, indem ein externer Kreislauf an die Solarzelle angeschlossen wird. Das angeregte Elektron durchquert den externen Kreislauf, während das erzeugte Loch die Barriere der Verbindung überquert, um sich mit dem zurückgelegten Elektron zu rekombinieren.

Das photovoltaische Modul verstehen

Illustration einer Solarzelle.

Ein photovoltaisches Modul besteht aus einzelnen Solarzellen, die elektrisch verbunden sind, um ihre Ausgangsleistung zu erhöhen. Es besteht aus mehreren miteinander verbundenen und in einer einzigen Platte/Anlage verkapselten Solarzellen. Es gibt viele verschiedene Arten von photovoltaischen Modulen, und die Struktur des Moduls variiert je nach Zelltyp. Die häufigsten Module haben 60 oder 72 Zellen mit drei Bypass-Dioden. Die 60-Zellen-Module wurden ursprünglich entwickelt, um den Umgang in Wohnanwendungen zu erleichtern, während die schwereren 72-Zellen-Module für große Versorgungsanlagen bestimmt sind.

Die charakteristischen IV-Kurven der Solarzelle

I-V-Kurve der Solarzelle.

Die charakteristischen IV-Kurven (Strom und Spannung) zeigen die Leistungsfähigkeit einer bestimmten Zelle, eines Moduls oder eines PV-Arrays. Die von einer einzelnen Solarzelle oder einem Solarmodul bereitgestellte Energie ist das Produkt aus ihrem Ausgangsstrom und ihrer Spannung. Photovoltaik-Module können in Reihe oder parallel oder beides kombiniert werden, um die Spannung bzw. den Strom des Solarmoduls zu erhöhen. Wenn Module in Reihe geschaltet sind, erhöht sich die Gesamtspannung im Array. Wenn Module parallel geschaltet sind, erhöht sich der gesamte Ausgangsstrom.

Die IV-Kurve enthält drei wichtige Punkte: Der Punkt maximaler Leistung (MPP), der den Punkt maximaler Spannung und Stromleistung darstellt, die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom. Die IV-Kurve der Solarzelle hängt von der Temperatur und der Bestrahlungsstärke des Moduls ab.

Technologische Fortschritte und die Zukunft der Solarenergie

AURORA-Solarmodulserie mit Nennleistung von 485 W bis 505 W.

Typische Werte für die Parameter einer Silizium-Solarzelle sind: Kurzschlussstrom = 35 mA/cm², Leerlaufspannung bis zu 0,65 V und Füllfaktor (FF) im Bereich von 0,75 bis 0,80. Die Effizienz variiert in der Regel zwischen 15 % und 20 %. Alle diese Parameter werden in den vom Hersteller bereitgestellten Datenblättern erwähnt.

Das obige Bild zeigt eines der vielen Produkte, die von AE Solar angeboten werden. Die AURORA-Serie ist eine Reihe von monokristallinen Modulen ab 485 W mit einer maximalen Leistung von 505 W und einer Effizienz zwischen 19,88 % und 21,4 %. Weitere Merkmale und Informationen zum Produkt finden Sie in den technischen Daten.

AE Solar FV-Module.

Heute haben die schnellen technologischen Fortschritte die Grenzen in Bezug auf die Energieproduktion und die Gesamteffizienz einzelner Zellen sowie bei den Fertigungsprozessen mit innovativen Ideen überschritten. Solarzellen können eine viel höhere Effizienz und Energie produzieren als die Zellen, die vor 20 Jahren verfügbar waren. Da immer mehr Menschen sich für die Installation von Photovoltaik-Systemen entscheiden, wächst die Solartechnologie-Industrie schnell. Da Länder versuchen, agil auf grüne Energie umzusteigen, scheint die Zukunft der Solarenergie heller denn je.