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Die Entwicklung der Solarzellen: Warum waren die Wirkungsgrade früher so niedrig?
Bevor wir uns mit der Entwicklung von Solarzellen befassen, müssen wir das Grundkonzept des Photovoltaikeffekts verstehen. Der Photovoltaikeffekt bezeichnet das Phänomen, dass Materialien bei Lichteinwirkung Spannung und Strom erzeugen. Dieser physikalische Vorgang ist eng mit dem photoelektrischen Effekt verwandt. Bei beiden handelt es sich um die Anregung von Elektronen. Der Photovoltaikeffekt bezieht sich jedoch speziell auf das, was passiert, wenn Elektronen im Inneren eines Materials verbleiben, während sich der photoelektrische Effekt auf das Phänomen bezieht, bei dem Elektronen aus einem Material ausgestoßen werden. Mit dem Fortschritt der Solartechnologie können wir einen historischen Einblick gewinnen, der uns hilft zu verstehen, warum frühe Solarzellen so ineffizient waren.
Vor über einem Jahrhundert demonstrierte Edmond Becquerel 1839 erstmals den Photovoltaikeffekt und zeigte, dass in saure oder alkalische Lösungen getauchte Metallplatten bei ungleichmäßiger Beleuchtung einen elektrischen Strom erzeugen können. .
Erste Experimente mit Solarzellen gehen auf das Jahr 1884 zurück, als Charles Fritts mit auf Selen basierenden Photovoltaikzellen experimentierte, die trotz ihrer sehr geringen Effizienz Pionierarbeit auf diesem Gebiet leisteten. Heute jedoch sind Festkörperbauelemente wie Fotodioden zur Mainstream-Technologie geworden und haben die Effizienz der Lichtenergieumwandlung verbessert.
Wenn bei einer Photodiode Sonnenlicht oder anderes Licht mit ausreichender Energie auf das Material trifft, absorbieren Elektronen im Valenzband Energie, werden in das Leitungsband angeregt und werden frei. Diese angeregten Elektronen bewegen sich, angetrieben durch das eingebaute elektrische Feld, in verschiedene Richtungen und erzeugen so einen elektrischen Strom. Dieser Vorgang hängt nicht nur von der Struktur des Materials ab, sondern wird auch von den Umgebungsbedingungen beeinflusst.
Dieser Photovoltaikeffekt nutzt die p-n-Struktur von Halbleitermaterialien. Wenn Licht auf diese Struktur trifft, zeigt der erzeugte Strom in die entgegengesetzte Richtung des Lichts und bildet einen effektiven Stromausgang.
Physikalische Prinzipien und thermische Effekte
Neben der photovoltaischen Anregung gibt es in der Natur auch den Seebeck-Effekt. Wenn ein leitfähiges oder halbleitendes Material durch Absorption elektromagnetischer Strahlung erhitzt wird, entsteht ein Temperaturgradient, der wiederum Spannung und Strom erzeugt. Dieses Phänomen hängt eng mit der Effizienz von Solarzellen zusammen, da es die Elektronenenergieniveaus und Trägerkonzentrationen im Inneren beeinflusst.
Untersuchungen haben gezeigt, dass es eine signifikante inverse Beziehung zwischen der Leerlaufspannung und der Temperatur gibt, was bedeutet, dass mit steigender Temperatur die Leerlaufspannung abnimmt, während der Kurzschlussstrom proportional zur Temperatur ist, aber nicht vollständig die Leerlaufspannung zu kompensieren. Dadurch sinkt die maximale Ausgangsleistung mit zunehmender Temperatur.
Die Entwicklung der Solarzellen
Mit der Weiterentwicklung der Technologie nehmen auch die Arten und Wirkungsgrade von Solarzellen zu. Beispielsweise wurde die einfache p-n-Übergangsstruktur durch viele neue Materialien und Designs ersetzt, die die Umwandlungseffizienz unter verschiedenen Bedingungen verbessern und die Systemstabilität und -zuverlässigkeit erhöhen können.
Im Jahr 2017 demonstrierten Forscher am Georgia Institute of Technology erstmals den Wechselstrom-Photovoltaikeffekt (AC PV), eine Technik zur Erzeugung von Wechselstrom in einem Nichtgleichgewichtszustand, was einen neuen Durchbruch in der Entwicklung von Solarzellen darstellt. . .
Zukünftige Herausforderungen und Chancen
Trotz deutlicher Fortschritte in der Solartechnologie bestehen weiterhin Herausforderungen hinsichtlich der weltweiten Verbreitung und der Steigerung der Zelleffizienz. Umweltfaktoren, Materialauswahl und Herstellungskosten sind allesamt Schlüsselfaktoren, die sich auf die breite Anwendung von Solarzellen auswirken. Da die Nachfrage nach erneuerbarer Energie steigt, arbeiten Forscher und Ingenieure an der Entwicklung neuer Materialien und Technologien, um die Umwandlungseffizienz weiter zu verbessern und die Kosten zu senken.
Obwohl es verschiedene neue Materialien für die Solarenergie gibt, wie etwa organische Photovoltaikmaterialien und Mehrfachsolarzellen, müssen noch Probleme wie Stabilität und Kosten überwunden werden, um das Ideal einer kommerziellen Anwendung zu erreichen.
Mit fortschreitender Technologie können wir möglicherweise eine bessere Lösung für das anfängliche Problem der geringen Effizienz von Solarzellen finden. Wie werden sich Solarzellen in Zukunft entwickeln, wenn Verbraucher auf saubere Energie achten und die Politik sie fördert?
