Was ist Photovoltaik?

Das obige Diagramm veranschaulicht den Betrieb einer einfachen Photovoltaikzelle, auch Solarzelle genannt. Solarzellen werden aus den gleichen Arten von Halbleitermaterialien wie Silizium hergestellt, die in der Mikroelektronikindustrie verwendet werden. Für Solarzellen wird ein dünner Halbleiterwafer speziell behandelt, um ein elektrisches Feld zu bilden, das auf der einen Seite positiv und auf der anderen Seite negativ ist. Trifft Lichtenergie auf die Solarzelle, werden Elektronen aus den Atomen im Halbleitermaterial herausgeschlagen. Werden an den Plus- und Minusseiten elektrische Leiter angebracht, die einen Stromkreis bilden, können die Elektronen in Form von elektrischem Strom – also Elektrizität – eingefangen werden. Dieser Strom kann dann verwendet werden, um eine Last wie eine Lampe oder ein Werkzeug anzutreiben.

Eine Anzahl von Solarzellen, die elektrisch miteinander verbunden und in einer Stützstruktur oder einem Rahmen montiert sind, wird als Photovoltaikmodul bezeichnet. Module sind dafür ausgelegt, Strom mit einer bestimmten Spannung zu liefern, beispielsweise einem üblichen 12-Volt-System. Der erzeugte Strom ist direkt davon abhängig, wie viel Licht auf das Modul trifft.

Die heute gebräuchlichsten PV-Geräte verwenden einen einzelnen Übergang oder eine Schnittstelle, um ein elektrisches Feld innerhalb eines Halbleiters wie einer PV-Zelle zu erzeugen. In einer Single-Junction-PV-Zelle können nur Photonen, deren Energie gleich oder größer als die Bandlücke des Zellmaterials ist, ein Elektron für einen Stromkreis freisetzen. Mit anderen Worten, die photovoltaische Reaktion von Single-Junction-Zellen ist auf den Teil des Sonnenspektrums beschränkt, dessen Energie über der Bandlücke des absorbierenden Materials liegt, und Photonen mit niedrigerer Energie werden nicht verwendet.

Eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu umgehen, besteht darin, zwei (oder mehr) verschiedene Zellen mit mehr als einer Bandlücke und mehr als einem Übergang zu verwenden, um eine Spannung zu erzeugen. Diese werden als "Multijunction"-Zellen (auch "Kaskaden"- oder "Tandem"-Zellen genannt) bezeichnet. Multijunction-Bauelemente können eine höhere Gesamtumwandlungseffizienz erreichen, da sie einen größeren Teil des Energiespektrums von Licht in Elektrizität umwandeln können.

Wie unten gezeigt, ist ein Multijunction-Bauelement ein Stapel einzelner Single-Junction-Zellen in absteigender Reihenfolge der Bandlücke (Eg). Die obere Zelle fängt die hochenergetischen Photonen ein und leitet den Rest der Photonen weiter, damit sie von Zellen mit niedrigerer Bandlücke absorbiert werden.