Wie funktionieren Solarmodule? - Richard Komp

Die ganze Lektion unter: https://ed.ted.com/lessons/how-do-solar-panels-work-richard-komp

Die Erde fängt viel Sonnenenergie auf: 173 000 Terawatt. Das ist 10 000-mal mehr Energie als von der Erdbevölkerung verbraucht wird. Könnten wir uns also eines Tages vollständig auf Sonnenenergie verlassen? Richard Komp untersucht, wie Solarmodule Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln.

Lektion von Richard Komp. Animation von Globizco.

Die Erde fängt viel Sonnenenergie auf:

173 Tausend Terawatt.

Das ist zehntausend Mal mehr Energie
als die Erdbevölkerung verbraucht.

Könnte sich die Welt eines Tages

vollständig auf Sonnenenergie verlassen?

Um die Frage zu beantworten,

muss man untersuchen, wie Solarmodule
Sonnenenergie in elektrische umwandeln.

Solarmodule bestehen aus
kleineren Einheiten, den Solarzellen.

Die gebräuchlichsten Solarzellen
sind aus Silizium hergestellt,

einem Halbleiter, der das zweithäufigste
Element auf der Erde ist.

In einer Solarzelle

ist kristallines Silizium zwischen zwei
leitfähigen Schichten eingeschlossen.

Jedes Siliziumatom ist mit seinen Nachbarn
durch vier starke Bindungen verknüpft,

die Elektronen an Ort und Stelle halten,
so dass kein Strom fließt.

Hier ist die Lösung:

Für Solarzellen werden zwei verschiedene
Schichten aus Silizium verwendet.

Das Silizium vom N-Typ
hat zusätzliche Elektronen

und Silizium vom P-Typ hat Zusatzraum
für Elektronen, sogenannte Löcher.

Wo sich beide Silizium-Typen berühren,

wandern Elektronen über den p-n-Übergang,

hinterlassen auf einer Seite
eine positive Ladung

und erzeugen eine negative Ladung
auf der anderen Seite.

Man kann sich Licht als Strom
winziger Teilchen vorstellen,

Photonen genannt,

die aus der Sonne herausschießen.

Wenn ein Photon mit genug Energie
auf die Solarzelle auftrifft,

kann es ein Elektron aus seiner Bindung
herausschlagen und ein Loch zurücklassen.

Das negativ geladene Elektron
und die Stelle des positiv geladenen Lochs

sind jetzt frei beweglich.

Aber wegen des elektrischen
Feldes am p-n-Übergang

bewegen sie sich nur in eine Richtung.

Das Elektron wird zur n-Seite gezogen,

während das Loch zur p-Seite gezogen wird.

Die beweglichen Elektronen werden
an der Oberseite der Zelle gesammelt.

Von dort fließen sie
durch einen äußeren Stromkreis

und verrichten elektrische Arbeit,

wie eine Glühbirne zum Leuchten bringen,

bevor sie über das rückseitige,
leitfähige Aluminiumblech zurückkehren.

Jede Siliziumzelle produziert
nur ein halbes Volt,

aber man kann sie in Modulen aufreihen,
um mehr Strom zu erhalten.

Zwölf Solarzellen sind ausreichend,
um ein Mobiltelefon zu laden,

wohingegen man viele Module braucht,
um ein Haus zu versorgen.

Elektronen sind die einzigen
beweglichen Teile in einer Solarzelle

und sie gehen dahin zurück,
wo sie herkamen.

Es gibt nichts, was sich abnutzt
oder aufgebraucht wird,

so dass Solarzellen
Jahrzehnte halten können.

Was hält uns davon ab, uns vollständig
auf Sonnenenergie zu verlassen?

Es sind politische Faktoren im Spiel,

ganz zu schweigen von Unternehmen,
die versuchen, den Status quo zu erhalten.

Aber im Moment konzentrieren wir uns

auf die physikalischen
und logistischen Herausforderungen:

Die ersichtlichste ist, dass Solarenergie
auf der Erde ungleich verteilt ist.

Manche Gebiete sind sonniger als andere.

Sie ist auch unbeständig.

An bewölkten Tagen oder nachts
ist weniger Sonnenenergie verfügbar.

Die vollständige Abhängigkeit
würde effiziente Wege erfordern,

um Elektrizität von sonnigen Flecken
zu bewölkten zu bekommen

und die wirksame Speicherung von Energie.

Der Wirkungsgrad der Zellen
ist auch eine Herausforderung.

Wenn Sonnenlicht reflektiert,
anstatt absorbiert wird

oder herausgelöste Elektronen
in ein Loch zurückfallen,

bevor sie durch den Stromkreis fließen,

ist die Photonenenergie verloren.

Die Solarzellen mit dem
derzeit höchsten Wirkungsgrad

verwandeln nur 46 % des
verfügbaren Sonnenlichts in Elektrizität

und die meisten kommerziellen Systeme
haben einen Wirkungsgrad von 15–20 %.

Trotz dieser Begrenzungen

wäre es tatsächlich möglich,

die ganze Welt mit der heutigen
Solartechnologie mit Strom zu versorgen.

Man bräuchte die Finanzierung,
um die Infrastruktur aufzubauen

und ziemlich viel Platz.

Schätzungen reichen von 25 000
bis 250 000 Quadratkilometer,

was viel erscheint,

aber die Wüste Sahara umfasst alleine
8 Millionen Quadratkilometer Fläche.

Inzwischen werden Solarzellen
besser und billiger

und treten in Wettbewerb mit
der Elektrizität aus dem Netz.

Neuerungen wie schwimmende Solarparks
können die Landschaft völlig verändern.

Die Gedankenspiele beiseite,

über eine Milliarde Menschen

haben insbesondere in Entwicklungsländern,
von denen viele sonnig sind,

keinen Zugang zu einem
verlässlichen Stromnetz.

An diesen Orten

ist Sonnenenergie bereits viel billiger
und sicherer als verfügbare Alternativen

wie Petroleum.

Für Finnland oder Seattle etwa

kann es allerdings noch ein weiter Weg
zu effektiver Sonnenenergie sein.