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Mittlerweile gehören Solaranlagen schon zum Alltag: Sie befinden sich auf vielen Dächern, auf Feldern oder in Städten. Doch wie funktionieren diese Solaranlagen eigentlich? Wie man aus ihnen Strom gewinnt und welche Rolle Sand dabei spielt, erklärt Armin Maiwald in der Sendung mit der Maus für jeden verständlich.

Solar-Energie stellt für viele kein Fremdwort mehr dar, sie begnetet uns mittlerweile alltäglich und der Anblick von Solaranlagen ist zur Normalität geworden. Doch haben Sie sich schon einmal gefragt, welche Technologie dahinter steckt? Die Sendung mit der Maus nimmt sich diesem Thema an und erklärt für jeden ganz verständlich, wie man Sonnenenergie zu Strom umwandelt, um diesen für sich nutzen zu können.

Als erstes erklärt Armin Maiwald im Video zunächst die Sonne und die von ihr ausgehende Energie. Diese Energie, so erläutert Maiwald weiter, kommt auf der Erde an und wird von uns auf unterschiedliche Weise wahrgenommen. Zum einen sehen wir das Sonnenlicht und zum anderen fühlen wir die Wärmestrahlen. Andere Strahlen, die man zunächst nicht sehen oder spüren kann, sind die sogenannten UV-Strahlen. Diese nehmen wir meist erst war, wenn wir uns nach einem zu langen Aufenthalt in der Sonne einen Sonnenbrand eingeholt haben.

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Das Licht der Sonne, so Wissenschaftler, muss man sich nicht nur als Strahlung vorstellen, sondern es besteht aus vielen kleinen Teilchen: den sogenannten Photonen. Die Photonen treffen auf die Erde wo ihre Energie unterschiedliche Reaktionen verursacht. Die Sendung mit der Maus erläutert dies anhand eines Beispiels mit einer schwarzen Platte in der Sonne. Die Photonen der Sonne treffen auf die schwarze Platte, die ebenfalls aus winzig kleinen Teilchen, sogenannten Atomen, besteht.

Wir gehen noch einen Schritt tiefer: Atome bestehen aus einem Atomkern und mehreren Elektronen, wobei die Anzahl der Elektronen je nach Material variiert. Beim Auftreffen eines Photons wirft dieses ein Elektron aus seiner Bahn und veursacht damit, dass sich das Elektron bewegt, um sich wieder einen Atomkern zur Verbindung zu suchen. Diesen Vorgang nennt man Rekombination, sie veursacht als Ergebnis Wärme. Fassen wir die Platte an,  können wir die erzeugte Wärme spüren. Im Sommer treffen wir häufig auf diesen Effekt, wenn wir beispielsweise in ein Auto einsteigen, das für längere Zeit in der Sonne stand.

Welche Rolle Sand bei der Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie spielt, erläutert Maiwald im nächsten Schritt. Sand besteht aus einer chemischen Verbindung aus Silizium und Sauerstoff. Um Solarzellen herzustellen, wird allerdings nur reines Silizium benötigt, der Sauerstoff muss also entfernt werden. Der Prozess zur Gewinnung von reinem Silizium ist langwierig: Im Steinbruch wird Quarz gewonnen, das zerkleinert nichts anderes als Sand darstellt. Dieser Quarzsand wird im Anschluss mit Kohle und Holz vermischt und verbrannt. Da die Kohle und das Holz zum Verbrennen Sauerstoff benötigen, das nicht nur aus der Luft, sondern auch aus dem Sand gewonnen wird, bekommt man als Resultat reines Rohsilizium. In einem anschließenden Prozess wird dieses Rohsilizium gereinigt, wodurch reines Silizium entsteht, das nun für die Produktion von Solarzellen verwendet wird.

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Das extrem reine Silizium wird nun in einem Vorgang, dem sogenannten Dotieren, gezielt mit Bor "verunreigt", so geht es in der Erklärung weiter. Das Bor wird in Pulverform zum Silizium hinzugefügt und im Anschluss gemeinsam verbrannt, wodurch sich das Bor mit dem Silizium verbindet. Dieses Material besteht zunächst aus großen Blöcken, die dann zersägt werden. Eine Maschine schneidet diese Blöcke dann weiter in hauchdünne Scheiben, die im Anschluss in einem Bad gereinigt werden: Das Ergebnis dieses ganzen Prozesses wird als Wafer bezeichnet, das nun bereit ist zur weiteren Verwendung.

Auf eine Seite der Platte wird eine hauchdünne Schicht Phosphor eingeschmolzen, die andere Seite wird mit einer Antireflektionsschicht bezogen, die blau ist und den Solarzellen ihren bekannten Look verleihen.

Nun wird es ein wenig komplizierter, der Frage wie man Strom aus den Solarzellen gewinnt, kommen wir damit aber sehr viel näher:

Der Wafer besteht unter der blauen Antireflektionsschicht aus zwei verschiedenen Schichten: Die Schicht mit Bor und die Phosphor-Schicht. Die Bor-Schicht enthält weniger Elektronen, weshalb man sich darauf geeinigt hat, diese als positive Schicht zu bezeichnen. Im Gegensatz dazu ist die Phosphorschicht negativ, da sie mehr Elektronen beinhaltet. Der Übergang wird als Positiv-Negativ-Übergang, kurz PN-Übergang, bezeichnet. Dieser Übergang ist für die Erzeugung von Strom maßgeblich. Trifft ein Photon nun auf den Wafer in der Phosphor-Schicht, trennt es das Elektron aus seinem Verband und es kann nur über den PN-Übergang in die andere Schicht gelangen, wo es sich einen freien Platz an einem Atomkern suchen muss. Um aus diesen Bewegungen der Elektronen nun Strom zu erzeugen, verwendet man Drähte, durch die der Strom geleitet wird.

Die Solarzelle wird mit feinen Drähten versehen, die als Grid bezeichnet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass möglichst viel Sonnenlicht in die Solarzelle einfallen können. Auf der Rückseite werden Anschlussdrähte befestigt, welche die Elektronen als Rückweg verwenden, wodurch ein ewiger Kreislauf entstanden ist.

In der Fabrik, so erläutert die Sendung mit der Maus, werden mehrere Solarzellen hintereinander gelegt und mit Drähten verbunden und verlötet. In einem weiteren Prozess werden unterschiedliche Schichten von Folien und Glas mit den Solarzellen gebacken, das Ergebnis bezeichnet man als Panel. Legt man nun noch einen Rahmen um dieses Panel, hat man ein sogenanntes Solarmodul.

Solaranlagen bestehen aus mehreren Solarmodulen, welche untereinander durch Kabel verbunden werden. Doch wie verwendet man nun den erzeugten Strom? Im allerletzten Schritt ist ein Wechselrichter nötig, der den von der Solaranlage erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Im Haushalt kann dieser Wechelstrom nun für allerlei Zwecke verwendet werden.

Zur Herstellung des Stroms werden lediglich die Photonen des Sonnenlichts verbraucht. Solange die Sonne also nicht aufhört zu scheinen, wird es also möglich sein, mithilfe von Sand und Sonnenlicht Energie zu gewinnen.

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Solaranlagen kaufen: Diese Anbieter gibt es und diese Vor- & Nachteile haben sie 

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