• Industriedenkmal Ampfing
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Industriedenkmal – Photovoltaik

Strom aus Licht
Die Technik der Photovoltaik (von „photo“ griech.: Licht und „volt“ nach Alessandro Graf Volta: Einheit der Spannung) wird gerne als moderne Technik bezeichnet, als Errungenschaft unserer Zeit. Ihre Grundlagen wurden aber bereits am Anfang des 19. Jh. von dem französischen Naturforscher Alexandre Edmond Becquerel (*1820, † 1891) gelegt. Die wissenschaftliche Erklärung verdanken wir allerdings Albert Einstein (* 1879, † 1955). Für die Beschreibung des Photoeffekts erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik. In der Folgezeit forschte man zwar theoretisch weiter, aber es fand sich noch keine praktische Verwendbarkeit. Die Amerikaner Schockley, Bardeen und Brattain machten den nächsten wichtigen Schritt in der Entwicklung der Photovoltaik, sie entdeckten den Transistoreffekt und erhielten dafür 1956 ebenfalls den Nobelpreis für Physik. Ihre Arbeit leitet das Zeitalter der Halbleiterphysik ein. Gleichzeitig wurde die erste Solarzelle aus Silizium entwickelt. Ende der 50er Jahre erfuhr dass die Entwicklung durch die potentiellen Einsatzmöglichkeiten für die Raumfahrt nochmal die rasante Beschleunigung. Solarzellen erwiesen sich als äußerst tauglich für die Stromversorgung der Raumflugkörper. Vor allem auch wegen der Resistenz der Zellen gegen die hochenergetische Strahlung im Weltraum.
Den wahren Durchbruch für den Einsatz von Solarzellen auf der Erde brachte die Ölkrise 1973/74. Seitdem beschäftigt man sich vor allem mit dem Hauptproblem der Nutzung von Solarzellen: ihre sehr hohen Herstellungskosten. Verwendung finden photovoltaische Anlagen von der Energieversorgung bei Kleinanwendungen wie z.B. Taschenrechner, Armbanduhren und ähnliches, bis hin zu photovoltaischen Kraftwerken im Bereich von mehreren Megawatt Leistung.
Die Photovoltaikanlage der Energie-Insel Ampfing auf dem Dach des Glaspavillons wurde von der Isar-Amperwerke AG 1998 der Gemeinde Ampfing kostenlos zur Verfügung gestellt und mit finanzieller Unterstützung durch die Erdgas Südbayern GmbH installiert. Die Gemeinde nimmt damit am Programm „Energiezukunft Bayern“ teil. Ziel dieses Programms ist es, den Bürgern der Gemeinde die Technik vorzustellen und die Nutzungsverbreitung zu steigern. Die Ampfinger Anlage umfasst insgesamt 48 Solarmodule mit einer Spitzenleistung von je 100 Wp; sie erzeugt Gleichstrom, der nach der Umwandlung in Wechselstrom in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist wird. Die Ausbeute pro Jahr beträgt etwa 5.000 Kilowattstunden (kWh), also rd. Ein Viertel mehr als ein durchschnittlicher Haushalt in der Gemeinde jährlich verbraucht (ca. 4.000 kWh). Der Wert der Anlage lag 1998 bei rd. 60.000,– DM, wovon ca. 40.000,– DM auf den Bausatz und ca. 20.000,– DM auf die Montage entfallen.

Technische Grundlagen
Mit der Halbleiterphotozelle können die zwei wesentlichen Voraussetzungen zur direkten Stromerzeugung aus Licht verwirklicht werden.

1. Halbleitereigenschaft
Für einen Stromfluss in einem festen Körper müssen bewegliche (freie) Ladungsträger vorhanden sein. Solche Ladungsträger können die negativen Elektronen (e-) sein oder auch Stellen, an denen ein Elektron fehlt, was dann einem positiven Ladungsträger (e+) entspricht. Körper mit freien Ladungsträgern (z.B. Kupfer, Eisen) sind Leiter, Körper ohne (z.B. Kochsalz, Glas) Isolatoren. Dazwischen liegen die sogenannten Halbleiter (z.B. Schwefel, Germanium und Silizium, das in der Form von Silikatmineralien wie etwa Quarzsand gut ein Viertel der Masse der Erdkruste ausmacht). Ohne äußere Energiezufuhr sind alle Ladungen fest an die Atome gebunden. Durch Wärme und insbesondere Lichtstrahlung werden aber Elektronen losgelöst und durch die entstandenen freien negativen und positiven Ladungsträger kann Strom fließen.

2. Dotierungen
Durch den gezielten Einbau von fremden Atomen (Dotierung) kann die Leitfähigkeit des Halbleiters wesentlich verbessert werden. In Silizium stellen z.B. einzelne Arsenatome je ein überzähliges nur locker gebundenes Elektron zur Verfügung, die dann für den Ladungstransport sorgen (n-dotiertes Silizium, ein sog. N-Leiter). Eingebrachte Aluminiumatome erzeugen dagegen potentielle positive Ladungsträger für den Stromfluss durch je ein fehlendes Elektron (p-dotiertes Silizium, sog. Ein p-Leiter).
Bei der Berührung von n-Leiter und p-Leiter kommt es zum entscheidenden Effekt! An der Grenze vereinigen sich die freien Elektronen des n-dotierten Teils mit den freien positiven Ladungsträgern des p-dotierten Teils, und es entsteht eine Grenzschicht ohne freie Ladungsträger, die die beiden Schichten elektrisch isoliert. Da der n-Leiter Elektronen an die Grenzschicht abgegeben hat, ist er ihr gegenüber nun positiv geladen. Für den p-Leiter gilt das entgegengesetzte. Es bildet sich also ein inneres elektrisches Feld. Trifft auf die Anordnung Licht, kommt es zu der oben beschriebenen Bildung von Paaren aus freien negativen und positiven Ladungsträgern, die durch das elektrische Feld getrennt werden. Dadurch bildet sich auch nach außen hin eine Spannung, die über metallische Kontakte abgenommen werden kann – Strom fließt.