Der Photoeffekt – Grundlage der Photovoltaik

Inhalt:- Die Geschichte des Photoeffekts

• Der Photoeffekt physikalisch erklärt
• Der Photoeffekt als Grundlage der Photovoltaik

Der Photoeffekt gliedert sich in zweierlei Arten: den äußeren und den inneren Photoeffekt:

Der äußere photoelektrische Effekt (auch Photoemission oder Hallwachs-Effekt) bezeichnet das Herauslösen von Elektronen aus einer Oberfläche durch das Einwirken von Licht.

Der innere photoelektrische Effekt findet hingegen innerhalb eines Halbleiters, etwa in Solarzellen, statt. Die Elektronen verlassen das Material dabei nicht. Der innere Photoeffekt ist für die Stromgewinnung durch Solarzellen einer Photovoltaikanlage interessant.

Alexander Edmond Becquerel entdeckte den Photoeffekt 1839. Im Verlauf eines Experiments stellte er fest, dass zwischen zwei elektrolytischen Zellen ein lichtabhängiger Stromfluss entsteht. In den folgenden Jahrzehnten forschten unter anderem Heinrich Hertz und W. Hallwachs an diesem Effekt. Albert Einstein bezog den Photoeffekt in seine Lichtquantentheorie mit ein, für welche er 1921 den Nobelpreis erhielt. Er war der erste Wissenschaftler, der den photovoltaischen Effekt physikalisch erklären konnte.

Nach seinem Erklärungsansatz ist Licht nicht nur eine Welle, sondern verfügt auch über gewisse Teilcheneigenschaften (Welle-Teilchen-Dualismus). Die sogenannten Photonen besitzen demnach eine bestimmte Energieladung. Ein Photon kann seine Energie an andere Teilchen übertragen. Diese Energie lässt sich für verschiedene Prozesse nutzen, unter anderem für die Stromerzeugung durch Photovoltaikanlagen.

Forscher der Bell Labs präsentierten die erste nutzbare Silizium-Solarzelle Mitte der Sechzigerjahre des 20. Jahrhunderts. Im Vergleich zur heutigen Solartechnik waren diese Entwürfe noch äußerst ineffizient. Die Raumfahrt nutzte erste Solarmodule Ende der Sechzigerjahre, um Satelliten mit Strom zu versorgen. Heutzutage stellen Solarmodule von Photovoltaikanlagen auf Hausdächern ein gängiges Bild dar (Tendenz steigend).

Um den photovoltaischen Effekt besser zu verstehen, schauen wir uns zunächst die einzelnen Komponenten an:

Was ist Licht? Licht besteht aus Photonen, die Sie sich wie kleine, unteilbare Energiepakete vorstellen können. Wir unterscheiden beim Licht zum einen die Lichtintensität, zum anderen die Lichtfrequenz. Umso heller die Sonne scheint, desto höher ist ihre Intensität und desto mehr Photonen sind vorhanden. Eine Frequenz zwischen 380 und 780 Nanometern beschreibt den für Menschen sichtbaren Bereich des Lichts. Ultraviolette sowie infrarote Strahlung sind für Menschen nicht sichtbar und liegen außerhalb dieses Frequenzbereichs. Das Farbspektrum reicht hierbei von Blau über Grün und Gelb bis hin zu Rot. Rote Lichtstrahlung (etwa in Form eines Sonnenuntergangs sichtbar) besitzt eine lange Wellenlänge von etwa 780 Nanometern mit einer geringen Frequenz. Die Wellenlänge von blauem Licht ist mit etwa 380 Nanometern deutlich kürzer und besitzt eine hohe Frequenz. Blaues Licht ist demnach deutlich energiereicher als rotes.

Was ist ein Atom? Atome sind die Bausteine unserer Welt. Aus ihnen setzt sich alles zusammen – sowohl feste Stoffen als auch flüssige und gasförmige. Atome bestehen aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Im Atomkern befinden sich positiv geladene Protonen sowie neutrale, das heißt ungeladene, Neutronen. In der Atomhülle befinden sich die negativ geladenen Elektronen, die sich um den Atomkern bewegen. Vergleichbar ist dieses Phänomen mit Planeten, die sich in bestimmten Bahnen um die Sonne bewegen. Je weiter entfernt sich ein Elektron vom Kern befindet, desto geringer ist seine Bindungsenergie. Das Verhältnis zwischen positiv geladenem Kern und negativ geladener Hülle gleicht sich aus und ist neutral. In anderen Worten: Das Atom ist elektrisch ungeladen.

Was passiert beim Photoeffekt? Trifft Licht in Form von Photonen auf eine Oberfläche, beispielsweise ein Metall, ist es einem Photon je nach Frequenz möglich, ein Elektron aus einem Atom dieses Materials herauszulösen. Das Elektron bewegt sich daraufhin frei im Raum umher. Das Photon muss genügend Energie aufbringen, um die Bindung zwischen Elektron und Atomkern aufzubrechen. Die Lichtfrequenz ist hierbei das Entscheidende.

Die Frequenz bezeichnet die Photonenenergie: Rotes Licht besitzt mit seiner geringen Frequenz eine deutlich niedrigere Intensität als blaues oder violettes Licht. Wenn diese Photonenenergie größer ist als die Bindungsenergie zwischen Elektron und Atomkern, kann das Elektron aus der äußeren Atomschale ausbrechen. Ist die Frequenz zu niedrig und das Photon bringt nicht genügend Energie auf, um ein Elektron vom Atom zu trennen, geschieht nichts.

Es ist unerheblich, wie stark die Lichtintensität ist. Ein Photon löst ein Elektron aus dem Atom heraus. Ist die Frequenz zu niedrig, ist es unbedeutend, wie viele Photonen insgesamt vorhanden sind. Das einzelne Photon bleibt energetisch weiterhin zu schwach, um einen Effekt zu bewirken. Ist die Frequenz des einzelnen Photons hingegen stark genug, erhöht eine gleichzeitige Steigerung der Lichtintensität proportional die Menge der abgespaltenen Elektronen.

Wie macht sich die Photovoltaik den Photoeffekt zunutze? In der Photovoltaik gewinnen Solarmodule mittels innerem Photoeffekt elektrische Energie. Dabei verlassen die freigesetzten Elektronen das Material nicht, sondern erzeugen stattdessen im Inneren einen elektrischen Strom.

Aufbau einer Solarzelle Eine Solarzelle besteht in den meisten Fällen aus Silizium, einem Halbleitermaterial.

Die Abbildung zeigt den Aufbau eines Halbleiters, bestehend aus reinen Siliziumatomen. Aufgrund der Beschaffenheit der äußersten Atomschalen “teilen” sich benachbarte Atome ihre äußeren Elektronen (Elektronenpaarbindung), um einen stabileren Aufbau zu erlangen. Es entsteht ein festes Siliziumgitter.

Eine Solarzelle besteht aus zwei Halbleiterschichten, die jeweils einen positiven und einen negativen Ladungsträgerüberschuss besitzen. Dieser Herstellungsvorgang heißt dotieren.

Was ist eine Dotierung? Dotierung bezeichnet die Einbindung von Fremdatomen, sogenannten Störstellen, in ein Material – in diesem Falle Silizium. Durch die Beimischung von Bor- und Phosphoratomen verbessert sich die Leitfähigkeit des Halbleiters. Es entsteht eine positiv geladene (n-dotierte) Schicht aus Silizium- und Phosphoratomen sowie eine negativ geladene (p-dotierte) Schicht aus Silizium- und Boratomen.

Abb.: (links) Gitterstruktur aus Silizium- und Phosphoratomen, (rechts) Gitterstruktur aus Silizium- und Boratomen | Abbildung © Solaranlagen-Portal.com

Die Abbildungen zeigen die ins Siliziumgitter eingebundenen Phosphor- beziehungsweise Boratome. Wichtig hierbei: Beide Gittervarianten verfügen in diesem Zustand über keine elektrische Ladung. Das heißt, sie sind neutral. Das Phosphoratom verfügt über ein äußeres Elektron mehr als Silizium, das somit nicht in die Gitterbildung mit einbezogen wird. Bor hingegen besitzt ein Elektron weniger, weshalb an dieser Stelle ein sogenanntes Loch entsteht.

Abb.: Gitterstruktur, in der das freie Elektron aus der Silizium-Phosphor-Verbindung zum “Loch” bei der Silizium-Bor-Verbindung wandert. | Abbildung © Solaranlagen-Portal.com

Das freie “Phosphorelektron” aus der n-dotierten Schicht wandert zum Loch der Bor-Silizium-Verbindung. Dadurch füllt es in der p-dotierten Schicht das Loch. Es entstehen sogenannte Elektron-Loch-Paare. Die zusätzlichen Elektronen in der mit Bor angereicherten Schicht sorgen für eine negative Ladung. In der Phosphor-Silizium-Verbindung entsteht ein positiver Überschuss durch das “Abwandern” der Elektronen. Diese Halbleiterschicht ist elektrisch positiv.

Fällt am Übergang der beiden Schichten, der sogenannten Grenzschicht oder auch p/n-Übergang Licht ein, entsteht ein elektrisches Feld. In dieser Schicht der Solarzelle trennen sich aufgrund des photoelektrischen Effekts Elektronen von ihren Atomen. Die positiv geladene Halbleiterschicht zieht die freigesetzten Elektronen aus der Grenzschicht an. Hier greifen Metallkontakte die so entstehende elektrische Spannung ab. Ein elektrischer Verbraucher, in diesen Kreislauf integriert, schließt den äußeren Kreis und es fließt Gleichstrom. Die meisten Haushaltsgeräte benötigen Wechselstrom. Um den Strom für den Haushalt nutzbar zu machen, wandelt ein Wechselrichter den Gleichstrom in Wechselstrom um. Am Ende dieses Zyklus wandern die Elektronen in die p-dotierte Halbleiterschicht zurück und der Kreislauf beginnt von Neuem.

Solange die Sonne scheint, findet der Photovoltaik-Effekt in der Grenzschicht statt und Elektronen fließen als elektrischer Strom in diesem Kreislauf. Treffen keine Photonen auf die Solarzelle, lösen sie auch keine Elektronen aus ihren Atomen und es fließt kein Strom.

Der direkte Vergleich von Solarmodulen liefert darüber hinaus wertvolle Informationen über individuelle Unterschiede der einzelnen Modultypen und welches Modul in Ihrem individuellen Fall die bessere Wahl ist. So können Sie Ihren Strom selbst erzeugen.

Wie macht sich die Photovoltaik den Photoeffekt zunutze? In der Photovoltaik gewinnen Solarmodule mittels innerem Photoeffekt elektrische Energie. Dabei verlassen die freigesetzten Elektronen das Material nicht, sondern erzeugen stattdessen im Inneren einen elektrischen Strom.

Aufbau einer Solarzelle Eine Solarzelle besteht in den meisten Fällen aus Silizium, einem Halbleitermaterial.