Was ist alternative Energie?
Der Begriff der alternativen Energien zieht sich wie ein roter Faden durch die Medien und wird gerne im Zusammenhang mit dem Problem der globalen Erwärmung angesprochen. Derzeit wird Energie vor allem aus problematischen Quellen gewonnen: Atomenergie und Energie durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe sind die hauptsächlichen Möglichkeiten. Sie zerstören allerdings nach und nach die Umwelt und stellen auch für das menschliche Leben auf der Erde eine nachhaltige Bedrohung dar, wie man an Katastrophen wie Tschernobyl und Fukushima eindrucksvoll beobachten konnte.
Was sind gängige und alternative Energie?
Die derzeit gängige Energie stammt aus Quellen wie der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder der Verwertung radioaktiver Stoffe wie Uran. Problematisch daran ist, dass diese Quellen nicht ewig halten werden, vor allem um die fossilen Brennstoffe entfachen seit vielen Jahrzehnten bereits Kriege. Atommüll stellt eine langfristige Bedrohung für die Gesundheit der Erde und der Umwelt dar und macht den billigen Atomstrom daher ebenfalls nicht zur dauerhaften Lösung. Alternative Energien sind zunächst alle Quellen, die keinen Hauptbestandteil am Strommix ausmachen. Gemeint sind damit meistens die regenerativen Quellen, die derzeit zwar großes Potenzial bergen, aber noch unerforscht sind und damit keine flächendeckende Versorgung sicherstellen können. Allerdings werden gerade die alternativen und regenerativen Energien erforscht und gelten als zukunftsweisende Technologien, da sie dazu in der Lage wären, das Problem der Rohstoffe und der mangelnden Energie für die künftigen und jetzigen Generationen langfristig zu lösen.
Welche alternativen Energien gibt es?
Zu den bekanntesten alternativen Energien gehören die nachhaltigen Quellen wie die Wind- oder Wasserkraft sowie die Solarenergie. Diese profitieren von Ressourcen, deren Energie nicht durch ihre Verwertung verschwindet. Wind und Wasser wird es beispielsweise immer geben, die Energie ist unerschöpflich. Lediglich die Sonne wird irgendwann erlöschen, allerdings wird das in absehbarer Zeit nicht passieren – und da regenerative Energien aus der Perspektive des Menschen betrachtet werden, kann man auch die Solarenergie zu den alternativen, regenerativen Quellen zählen. Da alternative Energie nicht gleichzusetzen ist mit der regenerativen Energie, kommen im alternativen Teil des Strommixes auch einige wenig nachhaltige und umweltschonende Varianten vor. Sie werden jedoch meistens nicht mit einbezogen, wenn man alternative Energie anpreist, gemeint sind damit die regenerativen und nachhaltigen Konzepte. Derzeit sind die alternativen Energien zwar zukunftsweisend und könnten langfristig das Problem schwindender Rohstoffe lösen, doch derzeit verursachen sie vor allem hohe Entwicklungskosten und gehören zu den Technologien, die noch zu tief in den Kinderschuhen stecken, als dass man sie rentabel und führend einsetzen könnte.
Was ist Photovoltaik?
Die Photovoltaik ist eine spezielle Technik, um elektrische Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen. Bei dieser Technik werden aus Halbleitern aufgebaute Solarzellen verwendet. Photovoltaik ist zwar ein Teilbereich der Nutzung der Solartechnik, darf jedoch nicht mit dieser gleichgesetzt werden, da es noch andere Formen gibt, die Sonnenenergie ohne den Einsatz von Solarzellen zu nutzen. Beispielsweise gibt es thermische Sonnenkraftwerke, die mithilfe des Sonnenlichts einen Dampfgenerator betreiben, um elektrische Energie zu gewinnen. Der Name stammt vom griechischen Begriff Photo, der Licht bedeutet und Volt, der Einheit für die elektrische Spannung.
Die Eigenschaft des Silizium-Halbleiters
Elektrischer Strom ist ein Fluss von Ladungsträgern, in der Regel von negativ geladenen Elektronen. Um den Strom zu leiten, muss ein Material über bewegliche Elektronen verfügen. Die äußerste Schicht des Silizium-Atoms besteht aus vier Elektronen. Um ein stabiles Gleichgewicht zu erreichen, werden jedoch acht Elektronen benötigt. Daher teilt sich das Silizium-Atom die Elektronen mit den Nachbaratomen, wodurch ein festes Kristallgitter entsteht, in dem alle Atome in einem stabilen Zustand und die Elektronen fest gebunden sind. Daher ist Silizium im Normalzustand nicht leitungsfähig. Wenn jedoch Sonnenlicht auf das Silizium trifft, versetzt dieses das Kristallgitter in Schwingungen, sodass das Gitter aufgebrochen wird. In diesem Zustand wird Silizium leitfähig, weshalb es in die Gruppe der Halbleiter fällt. Um die Leitfähigkeit weiter zu verbessern, dotieren die Techniker das Silizium. Das bedeutet, dass sie in geringer Menge Atome mit einer anderen Anzahl an Elektronen in der Außenschale in das Kristallgitter einbauen. Bei der p-Dotierung wird ein Atom mit fünf Elektronen in der Außenschale, beispielsweise Phosphor, verwendet. So bleibt ein überzähliges Elektron bestehen, das die Leitungsfähigkeit erhöht. Bei der n-Dotierung hingegen wird ein Atom mit nur drei Elektronen in der äußersten Schicht verwendet, häufig kommt hier Aluminium zum Einsatz. Auch diese Löcher, die entstehen, da ein Elektron für die Entstehung eines stabilen Gleichgewichts fehlt, wirken sich positiv auf die Leitfähigkeit aus.
Die Fertigung von Solarzellen
Um Solarzellen für die Photovoltaik zu nutzen, werden eine p-dotierte und eine n-dotierte Siliziumschicht übereinandergelegt. In der Regel wird bei der technischen Umsetzung eine sehr dünne, jedoch stark n-dotierte Schicht über eine dickere, jedoch nur schwach p-dotierte Schicht gelegt. Wenn nun das Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, regt sie diese an und erleichtert die Beweglichkeit der Elektronen. Durch diese Beweglichkeit können die überzähligen Elektronen der p-Schicht in die Löcher der n-Schicht wandern. Dies geschieht, da die Atome immer das Bestreben haben, ein stabiles Gleichgewicht mit acht Elektronen in der Außenschale zu erzeugen. Durch diesen Vorgang entsteht jedoch eine Wanderung der Elektronen, was bedeutet, dass elektrischer Strom fließt. Die n-Schicht lädt sich negativ auf, da hier nun mehr Elektronen vorhanden sind als zuvor, die p-Schicht hingegen wird positiv aufgeladen, da hier nun weniger Elektronen vorhanden sind. Der Mensch kann nun diese Ladung abgreifen und nutzen.
Die Nutzung der Photovoltaik
Die physikalischen Grundlagen, die der Photovoltaik zugrunde liegen, sind bereits seit dem neunzehnten Jahrhundert bekannt. Genutzt wurde diese Technik jedoch erst 1955, als erstmals Telefonverstärker mit Solarzellen betrieben wurden. Kurz darauf erhielt die Entwicklung der Photovoltaik einen großen Schub, da sie nun in der Raumfahrt verwendet wurde. Die ersten Solarzellen waren jedoch sehr teuer und außerdem wurde für die Herstellung sehr viel Energie benötigt, sodass sie nur für spezielle Anwendungen infrage kamen, wenn keine alternativen Energieträger zur Verfügung standen. Dies war beispielsweise in der Raumfahrt der Fall, aber auch bei abgelegenen Geräten, die nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen waren. Durch die zunehmende Energieknappheit und das gestiegene Umweltbewusstsein konnte die Photovoltaik jedoch auch in Bereiche vordringen, in denen auch andere Energiequellen nutzbar wären. In Deutschland wurde beispielsweise die Errichtung einer Photovoltaik-Anlage auf privaten Hausdächern stark gefördert, um die umweltbelastenden Konsequenzen anderer Formen der Energiegewinnung herabzusetzen. So wurde die Photovoltaik im Laufe der letzten Jahre zu einem wichtigen Standbein der deutschen Energieversorgung.