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How do solar panels work? - Richard Komp - YouTube
Channel: TED-Ed
[0]
Übersetzung: Johannes Duschner
Lektorat: Angelika Lueckert Leon
[7]
Die Erde fängt viel Sonnenenergie auf:
[11]
173 Tausend Terawatt.
[14]
Das ist zehntausend Mal mehr Energie
als die Erdbevölkerung verbraucht.
[19]
Könnte sich die Welt eines Tages
[20]
vollständig auf Sonnenenergie verlassen?
[24]
Um die Frage zu beantworten,
[25]
muss man untersuchen, wie Solarmodule
Sonnenenergie in elektrische umwandeln.
[31]
Solarmodule bestehen aus
kleineren Einheiten, den Solarzellen.
[36]
Die gebräuchlichsten Solarzellen
sind aus Silizium hergestellt,
[39]
einem Halbleiter, der das zweithäufigste
Element auf der Erde ist.
[43]
In einer Solarzelle
[44]
ist kristallines Silizium zwischen zwei
leitfähigen Schichten eingeschlossen.
[48]
Jedes Siliziumatom ist mit seinen Nachbarn
durch vier starke Bindungen verknüpft,
[53]
die Elektronen an Ort und Stelle halten,
so dass kein Strom fließt.
[57]
Hier ist die Lösung:
[59]
Für Solarzellen werden zwei verschiedene
Schichten aus Silizium verwendet.
[63]
Das Silizium vom N-Typ
hat zusätzliche Elektronen
[67]
und Silizium vom P-Typ hat Zusatzraum
für Elektronen, sogenannte Löcher.
[72]
Wo sich beide Silizium-Typen berühren,
[74]
wandern Elektronen über den p-n-Übergang,
[77]
hinterlassen auf einer Seite
eine positive Ladung
[80]
und erzeugen eine negative Ladung
auf der anderen Seite.
[83]
Man kann sich Licht als Strom
winziger Teilchen vorstellen,
[86]
Photonen genannt,
[88]
die aus der Sonne herausschießen.
[90]
Wenn ein Photon mit genug Energie
auf die Solarzelle auftrifft,
[94]
kann es ein Elektron aus seiner Bindung
herausschlagen und ein Loch zurücklassen.
[98]
Das negativ geladene Elektron
und die Stelle des positiv geladenen Lochs
[103]
sind jetzt frei beweglich.
[105]
Aber wegen des elektrischen
Feldes am p-n-Übergang
[108]
bewegen sie sich nur in eine Richtung.
[111]
Das Elektron wird zur n-Seite gezogen,
[113]
während das Loch zur p-Seite gezogen wird.
[116]
Die beweglichen Elektronen werden
an der Oberseite der Zelle gesammelt.
[121]
Von dort fließen sie
durch einen äußeren Stromkreis
[124]
und verrichten elektrische Arbeit,
[126]
wie eine Glühbirne zum Leuchten bringen,
[128]
bevor sie über das rückseitige,
leitfähige Aluminiumblech zurückkehren.
[131]
Jede Siliziumzelle produziert
nur ein halbes Volt,
[135]
aber man kann sie in Modulen aufreihen,
um mehr Strom zu erhalten.
[138]
Zwölf Solarzellen sind ausreichend,
um ein Mobiltelefon zu laden,
[142]
wohingegen man viele Module braucht,
um ein Haus zu versorgen.
[146]
Elektronen sind die einzigen
beweglichen Teile in einer Solarzelle
[149]
und sie gehen dahin zurück,
wo sie herkamen.
[151]
Es gibt nichts, was sich abnutzt
oder aufgebraucht wird,
[154]
so dass Solarzellen
Jahrzehnte halten können.
[157]
Was hält uns davon ab, uns vollständig
auf Sonnenenergie zu verlassen?
[162]
Es sind politische Faktoren im Spiel,
[164]
ganz zu schweigen von Unternehmen,
die versuchen, den Status quo zu erhalten.
[168]
Aber im Moment konzentrieren wir uns
[170]
auf die physikalischen
und logistischen Herausforderungen:
[173]
Die ersichtlichste ist, dass Solarenergie
auf der Erde ungleich verteilt ist.
[178]
Manche Gebiete sind sonniger als andere.
[181]
Sie ist auch unbeständig.
[182]
An bewölkten Tagen oder nachts
ist weniger Sonnenenergie verfügbar.
[187]
Die vollständige Abhängigkeit
würde effiziente Wege erfordern,
[190]
um Elektrizität von sonnigen Flecken
zu bewölkten zu bekommen
[194]
und die wirksame Speicherung von Energie.
[197]
Der Wirkungsgrad der Zellen
ist auch eine Herausforderung.
[200]
Wenn Sonnenlicht reflektiert,
anstatt absorbiert wird
[203]
oder herausgelöste Elektronen
in ein Loch zurückfallen,
[206]
bevor sie durch den Stromkreis fließen,
[208]
ist die Photonenenergie verloren.
[210]
Die Solarzellen mit dem
derzeit höchsten Wirkungsgrad
[213]
verwandeln nur 46 % des
verfügbaren Sonnenlichts in Elektrizität
[218]
und die meisten kommerziellen Systeme
haben einen Wirkungsgrad von 15–20 %.
[223]
Trotz dieser Begrenzungen
[225]
wäre es tatsächlich möglich,
[227]
die ganze Welt mit der heutigen
Solartechnologie mit Strom zu versorgen.
[230]
Man bräuchte die Finanzierung,
um die Infrastruktur aufzubauen
[233]
und ziemlich viel Platz.
[234]
Schätzungen reichen von 25 000
bis 250 000 Quadratkilometer,
[239]
was viel erscheint,
[240]
aber die Wüste Sahara umfasst alleine
8 Millionen Quadratkilometer Fläche.
[246]
Inzwischen werden Solarzellen
besser und billiger
[249]
und treten in Wettbewerb mit
der Elektrizität aus dem Netz.
[251]
Neuerungen wie schwimmende Solarparks
können die Landschaft völlig verändern.
[256]
Die Gedankenspiele beiseite,
[258]
über eine Milliarde Menschen
[261]
haben insbesondere in Entwicklungsländern,
von denen viele sonnig sind,
[264]
keinen Zugang zu einem
verlässlichen Stromnetz.
[268]
An diesen Orten
[270]
ist Sonnenenergie bereits viel billiger
und sicherer als verfügbare Alternativen
[274]
wie Petroleum.
[276]
Für Finnland oder Seattle etwa
[278]
kann es allerdings noch ein weiter Weg
zu effektiver Sonnenenergie sein.
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