Absorption

 

Absorption

 
 

Nicht absorbiertes Licht ist verlorenes Licht

Beitragsbild: Transparenz und Absorption

Absorption und Transparenz

Bevor eine Photovoltaikanlage Strom aus Licht erzeugen kann, mĂŒssen ihre Solarzellen das Licht erst einmal einfangen. Wird das Licht gespiegelt oder durchdringt es das Halbleitermaterial – es “scheint durch" -, so ist es fĂŒr die Nutzung in der Solarstromproduktion verloren.
Das Licht muss absorbiert werden.

Die Absorption ist in der Photovoltaik daher ein höchst wĂŒnschenswerter Vorgang. Das Silizium (oder CIS/CIGS etc., je nach gewĂ€hltem Halbleiter) fĂ€ngt den Anteil der Sonnenstrahlen ein, der energiereich genug ist, den Stromfluss anzuregen, und nutzt ihn weiter.

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

In der – auf HausdĂ€chern meisteingesetzten – kristallinen Photovoltaik sind dies, abhĂ€ngig vom Spektrum der Solareinstrahlung, rund 29% des Sonnenlichts. Der theoretisch maximale Wirkungsgrad der Photovoltaik liegt daher genau bei diesen 29,1%; der Absorptionsgrad kann daher zwar höher liegen (schwĂ€chere Strahlung wird geschluckt und ggf. in WĂ€rme umgewandelt, erzeugt aber keinen Stromfluss) – wesentlich fĂŒr die Leistung eines Solarmoduls aber ist sein Wirkungsgrad.
Ist der Absorptionsgrad jedoch niedrig, wird auch der Wirkungsgrad sinken.




Wie wird in der Photovoltaik absorbiert?

Die durch Absorption abgefangenen 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, ĂŒbrig bleibt nur seine Energie, die auf die Elektronen ĂŒbergeht.
Ist diese Energie hoch genug, werden die Elektronen damit, flapsig gesprochen, aus ihren Positionen auf der Flugbahn um den Atomkern herausgeschlagen und zum Stromfluss angeregt.

Genauer erklĂ€rt diesen Vorgang das physikalische “BĂ€ndermodell", z.B. hier oder hier

Nicht absorbiertes Licht ist verlorenes Licht

Beitragsbild: Transparenz und Absorption

Absorption und Transparenz

Bevor eine Photovoltaikanlage Strom aus Licht erzeugen kann, mĂŒssen ihre Solarzellen das Licht erst einmal einfangen. Wird das Licht gespiegelt oder durchdringt es das Halbleitermaterial – es “scheint durch" -, so ist es fĂŒr die Nutzung in der Solarstromproduktion verloren.
Das Licht muss absorbiert werden.

Die Absorption ist in der Photovoltaik daher ein höchst wĂŒnschenswerter Vorgang. Das Silizium (oder CIS/CIGS etc., je nach gewĂ€hltem Halbleiter) fĂ€ngt den Anteil der Sonnenstrahlen ein, der energiereich genug ist, den Stromfluss anzuregen, und nutzt ihn weiter.

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

In der – auf HausdĂ€chern meisteingesetzten – kristallinen Photovoltaik sind dies, abhĂ€ngig vom Spektrum der Solareinstrahlung, rund 29% des Sonnenlichts. Der theoretisch maximale Wirkungsgrad der Photovoltaik liegt daher genau bei diesen 29,1%; der Absorptionsgrad kann daher zwar höher liegen (schwĂ€chere Strahlung wird geschluckt und ggf. in WĂ€rme umgewandelt, erzeugt aber keinen Stromfluss) – wesentlich fĂŒr die Leistung eines Solarmoduls aber ist sein Wirkungsgrad.
Ist der Absorptionsgrad jedoch niedrig, wird auch der Wirkungsgrad sinken.




Wie wird in der Photovoltaik absorbiert?

Die durch Absorption abgefangenen 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, ĂŒbrig bleibt nur seine Energie, die auf die Elektronen ĂŒbergeht.
Ist diese Energie hoch genug, werden die Elektronen damit, flapsig gesprochen, aus ihren Positionen auf der Flugbahn um den Atomkern herausgeschlagen und zum Stromfluss angeregt.

Genauer erklĂ€rt diesen Vorgang das physikalische “BĂ€ndermodell", z.B. hier oder hier

Nicht absorbiertes Licht ist verlorenes Licht

Beitragsbild: Transparenz und Absorption

Absorption und Transparenz

Bevor eine Photovoltaikanlage Strom aus Licht erzeugen kann, mĂŒssen ihre Solarzellen das Licht erst einmal einfangen. Wird das Licht gespiegelt oder durchdringt es das Halbleitermaterial – es “scheint durch" -, so ist es fĂŒr die Nutzung in der Solarstromproduktion verloren.
Das Licht muss absorbiert werden.

Die Absorption ist in der Photovoltaik daher ein höchst wĂŒnschenswerter Vorgang. Das Silizium (oder CIS/CIGS etc., je nach gewĂ€hltem Halbleiter) fĂ€ngt den Anteil der Sonnenstrahlen ein, der energiereich genug ist, den Stromfluss anzuregen, und nutzt ihn weiter.

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

In der – auf HausdĂ€chern meisteingesetzten – kristallinen Photovoltaik sind dies, abhĂ€ngig vom Spektrum der Solareinstrahlung, rund 29% des Sonnenlichts. Der theoretisch maximale Wirkungsgrad der Photovoltaik liegt daher genau bei diesen 29,1%; der Absorptionsgrad kann daher zwar höher liegen (schwĂ€chere Strahlung wird geschluckt und ggf. in WĂ€rme umgewandelt, erzeugt aber keinen Stromfluss) – wesentlich fĂŒr die Leistung eines Solarmoduls aber ist sein Wirkungsgrad.
Ist der Absorptionsgrad jedoch niedrig, wird auch der Wirkungsgrad sinken.




Wie wird in der Photovoltaik absorbiert?

Die durch Absorption abgefangenen 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, ĂŒbrig bleibt nur seine Energie, die auf die Elektronen ĂŒbergeht.
Ist diese Energie hoch genug, werden die Elektronen damit, flapsig gesprochen, aus ihren Positionen auf der Flugbahn um den Atomkern herausgeschlagen und zum Stromfluss angeregt.

Genauer erklĂ€rt diesen Vorgang das physikalische “BĂ€ndermodell", z.B. hier oder hier

 

Absorption und Wirkungsgrad

Aufgabe: Licht absorbieren

Absorbieren, absorbieren, absorbieren.
Ein Tagwerk.

In der Solartechnik werden aus diesen GrĂŒnden hohe Anstrengungen unternommen, möglichst viel 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 OberflĂ€che der Solarzelle durch mikrometergenaue Ätzung strukturiert werden konnte.

Mehr ĂŒber die Vermeidung von Lichtreflexionen
in der Photovoltaik s. hier.

Wobei im Einzelnen ist die Absorption wichtig?

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

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

Absorption und innerer photoelektrischer Effekt

Nach dem BĂ€ndermodell in der Halbleiterphysik wird das Licht genutzt, um die Elektronen im Inneren des Atomgitters auf ein höheres Energieniveau zu heben. Dies geschieht nicht allmĂ€hlich, 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 verlĂ€sst es seine vorherige Position und nimmt als frei bewegliches elektrisch negatives Ladungsteilchen nun seine Reise durch die Stromkabel Ihres Hauses auf (photoelektrischer Effekt). Die vorige Position ist frei und wandert, bedingt durch die Bauart des Kerns der Solarzelle, seine Reise als positiv geladenes, sogenanntes “Loch" in die Gegenrichtung (photovoltaischer Effekt).
Ohne Absorption ist dieser doppelte Basiseffekt der Photovoltaik nicht möglich.

Absorption und DĂŒnnschicht-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 DĂŒnnschichttechnologie, der es mit weniger Material- und Herstellungsaufwand mit mikrometerdĂŒnnen 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 wĂ€re die Nutzung des Lichts in der DĂŒnnschichtphotovoltaik so kaum möglich.

Absorption und Mehrfachzellen

Verschiedene Materialien absorbieren jeweils unterschiedliche Lichtspektren – sie sind, werden sie dĂŒnn genug aufgelegt und abhĂ€ngig vom Absorptionskoeffizienten ihres jeweiligen Materials, teiltransparent; ihre Absorption ist also selektivem>. Das macht in der DĂŒnnschichttechnologie die Fertigung von Mehrfachzellen möglich – zum Beispiel die Tandemzelle, in der zwei Lagen unterschiedlicher Halbleiter in dĂŒnnen Schichten ĂŒbereinander zu einem – immer noch dĂŒnnen – “Block" aufgedampft werden. Die Bottomzelle der unteren Schicht profitiert davon, dass die Topzelle in der oberen genĂŒgend Licht des Wellenspektrums hindurchlĂ€sst, das sie absorbieren kann.
Der Wirkungsgrad von Mehrfachzellen (im Laborversuch – d.h., eine wirtschaftliche industrielle Fertigung ist noch nicht in Sicht) konnte bis auf 42% gesteigert werden.
Besonders fĂŒr 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 GrĂŒnden hohe Anstrengungen unternommen, möglichst viel 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 OberflĂ€che der Solarzelle durch mikrometergenaue Ätzung strukturiert werden konnte.

Mehr ĂŒber die Vermeidung von Lichtreflexionen
in der Photovoltaik s. hier.

Wobei im Einzelnen ist die Absorption wichtig?

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

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

Absorption und innerer photoelektrischer Effekt

Nach dem BĂ€ndermodell in der Halbleiterphysik wird das Licht genutzt, um die Elektronen im Inneren des Atomgitters auf ein höheres Energieniveau zu heben. Dies geschieht nicht allmĂ€hlich, 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 verlĂ€sst es seine vorherige Position und nimmt als frei bewegliches elektrisch negatives Ladungsteilchen nun seine Reise durch die Stromkabel Ihres Hauses auf (photoelektrischer Effekt). Die vorige Position ist frei und wandert, bedingt durch die Bauart des Kerns der Solarzelle, seine Reise als positiv geladenes, sogenanntes “Loch" in die Gegenrichtung (photovoltaischer Effekt).
Ohne Absorption ist dieser doppelte Basiseffekt der Photovoltaik nicht möglich.

Absorption und DĂŒnnschicht-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 DĂŒnnschichttechnologie, der es mit weniger Material- und Herstellungsaufwand mit mikrometerdĂŒnnen 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 wĂ€re die Nutzung des Lichts in der DĂŒnnschichtphotovoltaik so kaum möglich.

Absorption und Mehrfachzellen

Verschiedene Materialien absorbieren jeweils unterschiedliche Lichtspektren – sie sind, werden sie dĂŒnn genug aufgelegt und abhĂ€ngig vom Absorptionskoeffizienten ihres jeweiligen Materials, teiltransparent; ihre Absorption ist also selektivem>. Das macht in der DĂŒnnschichttechnologie die Fertigung von Mehrfachzellen möglich – zum Beispiel die Tandemzelle, in der zwei Lagen unterschiedlicher Halbleiter in dĂŒnnen Schichten ĂŒbereinander zu einem – immer noch dĂŒnnen – “Block" aufgedampft werden. Die Bottomzelle der unteren Schicht profitiert davon, dass die Topzelle in der oberen genĂŒgend Licht des Wellenspektrums hindurchlĂ€sst, das sie absorbieren kann.
Der Wirkungsgrad von Mehrfachzellen (im Laborversuch – d.h., eine wirtschaftliche industrielle Fertigung ist noch nicht in Sicht) konnte bis auf 42% gesteigert werden.
Besonders fĂŒr Spezialanwendungen, z.B. in der Weltraumforschung, ist dies vielversprechend.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

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Aufgabe: Licht absorbieren

Absorbieren, absorbieren, absorbieren.
Ein Tagwerk.

In der Solartechnik werden aus diesen GrĂŒnden hohe Anstrengungen unternommen, möglichst viel 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 OberflĂ€che der Solarzelle durch mikrometergenaue Ätzung strukturiert werden konnte.

Mehr ĂŒber die Vermeidung von Lichtreflexionen
in der Photovoltaik s. hier.

Wobei im Einzelnen ist die Absorption wichtig?

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

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

Absorption und innerer photoelektrischer Effekt

Nach dem BĂ€ndermodell in der Halbleiterphysik wird das Licht genutzt, um die Elektronen im Inneren des Atomgitters auf ein höheres Energieniveau zu heben. Dies geschieht nicht allmĂ€hlich, 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 verlĂ€sst es seine vorherige Position und nimmt als frei bewegliches elektrisch negatives Ladungsteilchen nun seine Reise durch die Stromkabel Ihres Hauses auf (photoelektrischer Effekt). Die vorige Position ist frei und wandert, bedingt durch die Bauart des Kerns der Solarzelle, seine Reise als positiv geladenes, sogenanntes “Loch" in die Gegenrichtung (photovoltaischer Effekt).
Ohne Absorption ist dieser doppelte Basiseffekt der Photovoltaik nicht möglich.

Absorption und DĂŒnnschicht-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 DĂŒnnschichttechnologie, der es mit weniger Material- und Herstellungsaufwand mit mikrometerdĂŒnnen 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 wĂ€re die Nutzung des Lichts in der DĂŒnnschichtphotovoltaik so kaum möglich.

Absorption und Mehrfachzellen

Verschiedene Materialien absorbieren jeweils unterschiedliche Lichtspektren – sie sind, werden sie dĂŒnn genug aufgelegt und abhĂ€ngig vom Absorptionskoeffizienten ihres jeweiligen Materials, teiltransparent; ihre Absorption ist also selektivem>. Das macht in der DĂŒnnschichttechnologie die Fertigung von Mehrfachzellen möglich – zum Beispiel die Tandemzelle, in der zwei Lagen unterschiedlicher Halbleiter in dĂŒnnen Schichten ĂŒbereinander zu einem – immer noch dĂŒnnen – “Block" aufgedampft werden. Die Bottomzelle der unteren Schicht profitiert davon, dass die Topzelle in der oberen genĂŒgend Licht des Wellenspektrums hindurchlĂ€sst, das sie absorbieren kann.
Der Wirkungsgrad von Mehrfachzellen (im Laborversuch – d.h., eine wirtschaftliche industrielle Fertigung ist noch nicht in Sicht) konnte bis auf 42% gesteigert werden.
Besonders fĂŒr Spezialanwendungen, z.B. in der Weltraumforschung, ist dies vielversprechend.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung