Absorption

 

Absorption

 
 

Nicht absorbiertes Licht ist verlorenes Licht

Beitragsbild: Transparenz und Absorption

Absorption und Transparenz

Bevor eine Photovoltaikanlage Strom aus Licht erzeugen kann, müssen ihre Solarzellen das Licht erst einmal einfangen. Wird das Licht gespiegelt oder durchdringt es das Halbleitermaterial - es "scheint durch" -, so ist es für die Nutzung in der Solarstromproduktion verloren.
Das Licht muss, um genutzt werden zu können, erst einmal absorbiert werden.

Die Absorption ist in der Photovoltaik daher ein Vorgang von zentrale Bedeutung. Das Halbleiter-Material der Solarzelle (meist Silizium) nimmt den Anteil der Sonnenstrahlung auf, der energiereich genug ist, den Stromfluss anzuregen. Dabei gibt jeweils ein Quantum Licht - oder Photon - seine Energie ab an jeweils ein Elektron im Kristallgitter des Halbleiters.
Das Elektron wird dadurch auf ein höheres Energielevel gehoben (die Wissenschaft spricht statt von Energieleveln von Energiebändern, vgl. Bändermodell); das einschlagende Photon aber findet in der Begegnung sein Schicksal: Es geht in der Übertragung der Energie an das Elektron rückstandsfrei auf.

Absorption (von lat. "absorbere": "abziehen", "absaugen") betrifft in der Photovoltaik die Lichtwellen, die von der Solarzelle aufgenommen - "verschluckt" - und genutzt werden.

Abhängig vom Spektrum der Solareinstrahlung besitzen 29,1% des Sonnenlichts genug Energie, um in der - auf Hausdächern meisteingesetzten - kristallinen Photovoltaik Strom zu erzeugen. Der theoretisch maximale Wirkungsgrad der Photovoltaik liegt daher genau bei diesen 29,1%.

Der Absorptionsgrad kann zwar höher liegen (schwächere Strahlung wird geschluckt und ggf. in Wärme umgewandelt, erzeugt aber keinen Stromfluss), der Wirkungsgrad aber kann nicht über das vom Material vorgegebene Maß hinaus ansteigen. Ist der Absorptionsgrad jedoch niedriger, sinkt der Wirkungsgrad (das Verhältnis von Solareinstrahlung und Leistung) entsprechend mit.
Maßgeblich für die Performance des Solarmoduls ist der Wirkungsgrad.

Wie wird in der Photovoltaik absorbiert?

Die durch Absorption abgefangenen Photonen oder Lichtquanten treffen im Atomgitter des Materials ein - und kollidieren dort mit den beweglichen Elektronen auf ihrer Bahn um die Atomkerne. In dieser Kollision zerstrahlt das Licht, übrig bleibt nur seine Energie, die auf die Elektronen übergeht.
Ist die Energie zu niedrig, geschieht nichts. Ist sie hoch genug, werden die Elektronen auf ihren Positionen auf der Flugbahn um den Atomkern um das entsprechende Energiequantum bereichert. Das macht sie beweglich, und der Stromfluss wird angeregt.

Genaueres zum physikalischen Bändermodell finden Sie auch hier.

Nicht absorbiertes Licht ist verlorenes Licht

Beitragsbild: Transparenz und Absorption

Absorption und Transparenz

Bevor eine Photovoltaikanlage Strom aus Licht erzeugen kann, müssen ihre Solarzellen das Licht erst einmal einfangen. Wird das Licht gespiegelt oder durchdringt es das Halbleitermaterial - es "scheint durch" -, so ist es für die Nutzung in der Solarstromproduktion verloren.
Das Licht muss, um genutzt werden zu können, erst einmal absorbiert werden.

Die Absorption ist in der Photovoltaik daher ein Vorgang von zentrale Bedeutung. Das Halbleiter-Material der Solarzelle (meist Silizium) nimmt den Anteil der Sonnenstrahlung auf, der energiereich genug ist, den Stromfluss anzuregen. Dabei gibt jeweils ein Quantum Licht - oder Photon - seine Energie ab an jeweils ein Elektron im Kristallgitter des Halbleiters.
Das Elektron wird dadurch auf ein höheres Energielevel gehoben (die Wissenschaft spricht statt von Energieleveln von Energiebändern, vgl. Bändermodell); das einschlagende Photon aber findet in der Begegnung sein Schicksal: Es geht in der Übertragung der Energie an das Elektron rückstandsfrei auf.

Absorption (von lat. "absorbere": "abziehen", "absaugen") betrifft in der Photovoltaik die Lichtwellen, die von der Solarzelle aufgenommen - "verschluckt" - und genutzt werden.

Abhängig vom Spektrum der Solareinstrahlung besitzen 29,1% des Sonnenlichts genug Energie, um in der - auf Hausdächern meisteingesetzten - kristallinen Photovoltaik Strom zu erzeugen. Der theoretisch maximale Wirkungsgrad der Photovoltaik liegt daher genau bei diesen 29,1%.

Der Absorptionsgrad kann zwar höher liegen (schwächere Strahlung wird geschluckt und ggf. in Wärme umgewandelt, erzeugt aber keinen Stromfluss), der Wirkungsgrad aber kann nicht über das vom Material vorgegebene Maß hinaus ansteigen. Ist der Absorptionsgrad jedoch niedriger, sinkt der Wirkungsgrad (das Verhältnis von Solareinstrahlung und Leistung) entsprechend mit.
Maßgeblich für die Performance des Solarmoduls ist der Wirkungsgrad.

Wie wird in der Photovoltaik absorbiert?

Die durch Absorption abgefangenen Photonen oder Lichtquanten treffen im Atomgitter des Materials ein - und kollidieren dort mit den beweglichen Elektronen auf ihrer Bahn um die Atomkerne. In dieser Kollision zerstrahlt das Licht, übrig bleibt nur seine Energie, die auf die Elektronen übergeht.
Ist die Energie zu niedrig, geschieht nichts. Ist sie hoch genug, werden die Elektronen auf ihren Positionen auf der Flugbahn um den Atomkern um das entsprechende Energiequantum bereichert. Das macht sie beweglich, und der Stromfluss wird angeregt.

Genaueres zum physikalischen Bändermodell finden Sie auch hier.

Nicht absorbiertes Licht ist verlorenes Licht

Beitragsbild: Transparenz und Absorption

Absorption und Transparenz

Bevor eine Photovoltaikanlage Strom aus Licht erzeugen kann, müssen ihre Solarzellen das Licht erst einmal einfangen. Wird das Licht gespiegelt oder durchdringt es das Halbleitermaterial - es "scheint durch" -, so ist es für die Nutzung in der Solarstromproduktion verloren.
Das Licht muss, um genutzt werden zu können, erst einmal absorbiert werden.

Die Absorption ist in der Photovoltaik daher ein Vorgang von zentrale Bedeutung. Das Halbleiter-Material der Solarzelle (meist Silizium) nimmt den Anteil der Sonnenstrahlung auf, der energiereich genug ist, den Stromfluss anzuregen. Dabei gibt jeweils ein Quantum Licht - oder Photon - seine Energie ab an jeweils ein Elektron im Kristallgitter des Halbleiters.
Das Elektron wird dadurch auf ein höheres Energielevel gehoben (die Wissenschaft spricht statt von Energieleveln von Energiebändern, vgl. Bändermodell); das einschlagende Photon aber findet in der Begegnung sein Schicksal: Es geht in der Übertragung der Energie an das Elektron rückstandsfrei auf.

Absorption (von lat. "absorbere": "abziehen", "absaugen") betrifft in der Photovoltaik die Lichtwellen, die von der Solarzelle aufgenommen - "verschluckt" - und genutzt werden.

Abhängig vom Spektrum der Solareinstrahlung besitzen 29,1% des Sonnenlichts genug Energie, um in der - auf Hausdächern meisteingesetzten - kristallinen Photovoltaik Strom zu erzeugen. Der theoretisch maximale Wirkungsgrad der Photovoltaik liegt daher genau bei diesen 29,1%.

Der Absorptionsgrad kann zwar höher liegen (schwächere Strahlung wird geschluckt und ggf. in Wärme umgewandelt, erzeugt aber keinen Stromfluss), der Wirkungsgrad aber kann nicht über das vom Material vorgegebene Maß hinaus ansteigen. Ist der Absorptionsgrad jedoch niedriger, sinkt der Wirkungsgrad (das Verhältnis von Solareinstrahlung und Leistung) entsprechend mit.
Maßgeblich für die Performance des Solarmoduls ist der Wirkungsgrad.

Wie wird in der Photovoltaik absorbiert?

Die durch Absorption abgefangenen Photonen oder Lichtquanten treffen im Atomgitter des Materials ein - und kollidieren dort mit den beweglichen Elektronen auf ihrer Bahn um die Atomkerne. In dieser Kollision zerstrahlt das Licht, übrig bleibt nur seine Energie, die auf die Elektronen übergeht.
Ist die Energie zu niedrig, geschieht nichts. Ist sie hoch genug, werden die Elektronen auf ihren Positionen auf der Flugbahn um den Atomkern um das entsprechende Energiequantum bereichert. Das macht sie beweglich, und der Stromfluss wird angeregt.

Genaueres zum physikalischen Bändermodell finden Sie auch hier.

 

Absorption und Wirkungsgrad

Aufgabe: Licht absorbieren

Absorbieren, absorbieren, absorbieren. Ein Tagwerk.

In der Solartechnik werden aus diesen Gründen hohe Anstrengungen unternommen, möglichst viel energiereiches Licht zu absorbieren bzw., umgekehrt, die Reflexion von Licht zu vermeiden. Der 2017er Weltrekord im Wirkungsgrad von 26,6% bei kristalliner Photovoltaik zum Beispiel (vgl. Pressemeldung) war nur möglich durch eine hochentwickelte Enspiegelungstechnik, bei der die Oberfläche der Solarzelle durch mikrometergenaue Ätzung strukturiert werden konnte.

Mehr über das Entspiegeln und die Vermeidung von Lichtreflexionen
in der PV finden Sie in unserem ausführlichen Artikel zur Antireflexschicht.

Wofür im Einzelnen ist die Absorption wichtig?

Für die Anwendung in der Solarstromtechnik ist die Absorption unter verschiedenen Gesichtspunkten interessant:

  • Beim inneren photoelektrischen Effekt,
  • in der Dünnschicht-Technologie,
  • in der Fertigung von Mehrfachzellen.

Absorption und innerer photoelektrischer Effekt

Nach dem Bändermodell in der Halbleiterphysik wird das Licht genutzt, um die Elektronen im Inneren des Atomgitters auf ein höheres Energieniveau zu heben.
Dies geschieht nicht allmählich, sondern sprunghaft - indem das Elektron das Licht (genauer: die Energie des eingestrahlten Lichtquants oder Photons) in sich aufnimmt, springt es vom niederenergetischen Zustand in den höherenergetischen.

Dabei verlässt es seine vorherige Position und nimmt als frei bewegliches elektrisch negatives Ladungsteilchen nun seine Reise durch die Stromkabel Ihres Hauses auf (das ist der photoelektrischer Effekt).
Die vorige Bindung im Kristallgitter ist frei geworden - sie wandert, bedingt durch die Bauart des Kerns der Solarzelle, als positiv geladenes, sogenanntes "Loch" in die Gegenrichtung (das ist der em>photovoltaische Effekt).
Ohne Absorption ist dieser doppelte Basiseffekt der Photovoltaik nicht möglich.

Absorption und Dünnschicht-Technologie

Solarzellen absorbieren das Licht nicht erst tief in ihrem Inneren - wobei "tief" hier eine Strecke von gerade einmal 60 bis 75 Nanometern (= tausendstel Millimeter) meint. In der Regel dringt die Solareinstrahlung sogar nur wenige Bruchteile eines Nanometers in den Halbleiter der Solarzelle ein, bevor sie absorbiert wird und ihre energiespendende Wirkung entfaltet.
Dieser Umstand ermöglicht die Dünnschichttechnologie, der es mit weniger Material- und Herstellungsaufwand mit mikrometerdünnen Materialfilmen gelingt, einen Großteil Solareinstrahlung zu absorbieren und - wenn auch mit etwas geringeren Wirkungsgraden als die Dickschicht-Technologie - die Energie des Lichts in Strom umzuwandeln.

Ohne genaue Kenntnis von Absorption und Absorptionsraten wäre die Nutzung des Lichts in der Dünnschichtphotovoltaik so kaum möglich.

Absorption und Mehrfachzellen

Verschiedene Materialien absorbieren jeweils unterschiedliche Lichtspektren - sie sind, wenn sie dünn genug aufgelegt werden, abhängig vom Absorptionskoeffizienten ihres jeweiligen Materials, teiltransparent. Ihre Absorption ist also selektiv.

Das ermöglichte eine faszinierende weitere Entwicklungsstufe der Dünnschicht-Technologie: Hier werden Materialien mit unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten übereinander gelegt. Was die eine Schicht an Licht durchlässt, kann die nächste absorbieren.
Das Ergebnis ist die Fertigung von Mehrfachzellen - zum Beispiel die Tandemzelle. In ihr werden zwei Lagen unterschiedlicher Halbleiter in dünnen Schichten übereinander zu einem - immer noch dünnen - "Block" aufgedampft. Die Bottomzelle der unteren Schicht profitiert davon, dass die Topzelle in der oberen genügend Licht des Wellenspektrums hindurchlässt, das sie absorbieren kann.
Der Wirkungsgrad von Mehrfachzellen (im Laborversuch - d.h., eine wirtschaftliche industrielle Fertigung ist noch nicht in Sicht) konnte in Experimenten des weltweit führenden Fraunhofer ISE (Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg), das seine internationalen Rekorde regelmäßig selbst überbietet, auf 46,1% gesteigert werden.
Besonders für Spezialanwendungen, z.B. in der Weltraumforschung, ist dies vielversprechend.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Absorption und Wirkungsgrad

Aufgabe: Licht absorbieren

Absorbieren, absorbieren, absorbieren. Ein Tagwerk.

In der Solartechnik werden aus diesen Gründen hohe Anstrengungen unternommen, möglichst viel energiereiches Licht zu absorbieren bzw., umgekehrt, die Reflexion von Licht zu vermeiden. Der 2017er Weltrekord im Wirkungsgrad von 26,6% bei kristalliner Photovoltaik zum Beispiel (vgl. Pressemeldung) war nur möglich durch eine hochentwickelte Enspiegelungstechnik, bei der die Oberfläche der Solarzelle durch mikrometergenaue Ätzung strukturiert werden konnte.

Mehr über das Entspiegeln und die Vermeidung von Lichtreflexionen
in der PV finden Sie in unserem ausführlichen Artikel zur Antireflexschicht.

Wofür im Einzelnen ist die Absorption wichtig?

Für die Anwendung in der Solarstromtechnik ist die Absorption unter verschiedenen Gesichtspunkten interessant:

  • Beim inneren photoelektrischen Effekt,
  • in der Dünnschicht-Technologie,
  • in der Fertigung von Mehrfachzellen.

Absorption und innerer photoelektrischer Effekt

Nach dem Bändermodell in der Halbleiterphysik wird das Licht genutzt, um die Elektronen im Inneren des Atomgitters auf ein höheres Energieniveau zu heben.
Dies geschieht nicht allmählich, sondern sprunghaft - indem das Elektron das Licht (genauer: die Energie des eingestrahlten Lichtquants oder Photons) in sich aufnimmt, springt es vom niederenergetischen Zustand in den höherenergetischen.

Dabei verlässt es seine vorherige Position und nimmt als frei bewegliches elektrisch negatives Ladungsteilchen nun seine Reise durch die Stromkabel Ihres Hauses auf (das ist der photoelektrischer Effekt).
Die vorige Bindung im Kristallgitter ist frei geworden - sie wandert, bedingt durch die Bauart des Kerns der Solarzelle, als positiv geladenes, sogenanntes "Loch" in die Gegenrichtung (das ist der em>photovoltaische Effekt).
Ohne Absorption ist dieser doppelte Basiseffekt der Photovoltaik nicht möglich.

Absorption und Dünnschicht-Technologie

Solarzellen absorbieren das Licht nicht erst tief in ihrem Inneren - wobei "tief" hier eine Strecke von gerade einmal 60 bis 75 Nanometern (= tausendstel Millimeter) meint. In der Regel dringt die Solareinstrahlung sogar nur wenige Bruchteile eines Nanometers in den Halbleiter der Solarzelle ein, bevor sie absorbiert wird und ihre energiespendende Wirkung entfaltet.
Dieser Umstand ermöglicht die Dünnschichttechnologie, der es mit weniger Material- und Herstellungsaufwand mit mikrometerdünnen Materialfilmen gelingt, einen Großteil Solareinstrahlung zu absorbieren und - wenn auch mit etwas geringeren Wirkungsgraden als die Dickschicht-Technologie - die Energie des Lichts in Strom umzuwandeln.

Ohne genaue Kenntnis von Absorption und Absorptionsraten wäre die Nutzung des Lichts in der Dünnschichtphotovoltaik so kaum möglich.

Absorption und Mehrfachzellen

Verschiedene Materialien absorbieren jeweils unterschiedliche Lichtspektren - sie sind, wenn sie dünn genug aufgelegt werden, abhängig vom Absorptionskoeffizienten ihres jeweiligen Materials, teiltransparent. Ihre Absorption ist also selektiv.

Das ermöglichte eine faszinierende weitere Entwicklungsstufe der Dünnschicht-Technologie: Hier werden Materialien mit unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten übereinander gelegt. Was die eine Schicht an Licht durchlässt, kann die nächste absorbieren.
Das Ergebnis ist die Fertigung von Mehrfachzellen - zum Beispiel die Tandemzelle. In ihr werden zwei Lagen unterschiedlicher Halbleiter in dünnen Schichten übereinander zu einem - immer noch dünnen - "Block" aufgedampft. Die Bottomzelle der unteren Schicht profitiert davon, dass die Topzelle in der oberen genügend Licht des Wellenspektrums hindurchlässt, das sie absorbieren kann.
Der Wirkungsgrad von Mehrfachzellen (im Laborversuch - d.h., eine wirtschaftliche industrielle Fertigung ist noch nicht in Sicht) konnte in Experimenten des weltweit führenden Fraunhofer ISE (Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg), das seine internationalen Rekorde regelmäßig selbst überbietet, auf 46,1% gesteigert werden.
Besonders für Spezialanwendungen, z.B. in der Weltraumforschung, ist dies vielversprechend.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

 

Absorption und Wirkungsgrad

Aufgabe: Licht absorbieren

Absorbieren, absorbieren, absorbieren. Ein Tagwerk.

In der Solartechnik werden aus diesen Gründen hohe Anstrengungen unternommen, möglichst viel energiereiches Licht zu absorbieren bzw., umgekehrt, die Reflexion von Licht zu vermeiden. Der 2017er Weltrekord im Wirkungsgrad von 26,6% bei kristalliner Photovoltaik zum Beispiel (vgl. Pressemeldung) war nur möglich durch eine hochentwickelte Enspiegelungstechnik, bei der die Oberfläche der Solarzelle durch mikrometergenaue Ätzung strukturiert werden konnte.

Mehr über das Entspiegeln und die Vermeidung von Lichtreflexionen
in der PV finden Sie in unserem ausführlichen Artikel zur Antireflexschicht.

Wofür im Einzelnen ist die Absorption wichtig?

Für die Anwendung in der Solarstromtechnik ist die Absorption unter verschiedenen Gesichtspunkten interessant:

  • Beim inneren photoelektrischen Effekt,
  • in der Dünnschicht-Technologie,
  • in der Fertigung von Mehrfachzellen.

Absorption und innerer photoelektrischer Effekt

Nach dem Bändermodell in der Halbleiterphysik wird das Licht genutzt, um die Elektronen im Inneren des Atomgitters auf ein höheres Energieniveau zu heben.
Dies geschieht nicht allmählich, sondern sprunghaft - indem das Elektron das Licht (genauer: die Energie des eingestrahlten Lichtquants oder Photons) in sich aufnimmt, springt es vom niederenergetischen Zustand in den höherenergetischen.

Dabei verlässt es seine vorherige Position und nimmt als frei bewegliches elektrisch negatives Ladungsteilchen nun seine Reise durch die Stromkabel Ihres Hauses auf (das ist der photoelektrischer Effekt).
Die vorige Bindung im Kristallgitter ist frei geworden - sie wandert, bedingt durch die Bauart des Kerns der Solarzelle, als positiv geladenes, sogenanntes "Loch" in die Gegenrichtung (das ist der em>photovoltaische Effekt).
Ohne Absorption ist dieser doppelte Basiseffekt der Photovoltaik nicht möglich.

Absorption und Dünnschicht-Technologie

Solarzellen absorbieren das Licht nicht erst tief in ihrem Inneren - wobei "tief" hier eine Strecke von gerade einmal 60 bis 75 Nanometern (= tausendstel Millimeter) meint. In der Regel dringt die Solareinstrahlung sogar nur wenige Bruchteile eines Nanometers in den Halbleiter der Solarzelle ein, bevor sie absorbiert wird und ihre energiespendende Wirkung entfaltet.
Dieser Umstand ermöglicht die Dünnschichttechnologie, der es mit weniger Material- und Herstellungsaufwand mit mikrometerdünnen Materialfilmen gelingt, einen Großteil Solareinstrahlung zu absorbieren und - wenn auch mit etwas geringeren Wirkungsgraden als die Dickschicht-Technologie - die Energie des Lichts in Strom umzuwandeln.

Ohne genaue Kenntnis von Absorption und Absorptionsraten wäre die Nutzung des Lichts in der Dünnschichtphotovoltaik so kaum möglich.

Absorption und Mehrfachzellen

Verschiedene Materialien absorbieren jeweils unterschiedliche Lichtspektren - sie sind, wenn sie dünn genug aufgelegt werden, abhängig vom Absorptionskoeffizienten ihres jeweiligen Materials, teiltransparent. Ihre Absorption ist also selektiv.

Das ermöglichte eine faszinierende weitere Entwicklungsstufe der Dünnschicht-Technologie: Hier werden Materialien mit unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten übereinander gelegt. Was die eine Schicht an Licht durchlässt, kann die nächste absorbieren.
Das Ergebnis ist die Fertigung von Mehrfachzellen - zum Beispiel die Tandemzelle. In ihr werden zwei Lagen unterschiedlicher Halbleiter in dünnen Schichten übereinander zu einem - immer noch dünnen - "Block" aufgedampft. Die Bottomzelle der unteren Schicht profitiert davon, dass die Topzelle in der oberen genügend Licht des Wellenspektrums hindurchlässt, das sie absorbieren kann.
Der Wirkungsgrad von Mehrfachzellen (im Laborversuch - d.h., eine wirtschaftliche industrielle Fertigung ist noch nicht in Sicht) konnte in Experimenten des weltweit führenden Fraunhofer ISE (Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg), das seine internationalen Rekorde regelmäßig selbst überbietet, auf 46,1% gesteigert werden.
Besonders für Spezialanwendungen, z.B. in der Weltraumforschung, ist dies vielversprechend.

Solarzellen im Zusammenspiel

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