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Panels Photovoltaische Solarenergie

Was ist der photovoltaische Effekt?

Was ist der photovoltaische Effekt?

Der photovoltaische Effekt ist der photoelektrische Effekt, der durch die Erzeugung eines elektrischen Stroms zwischen zwei Teilen aus unterschiedlichem Material gekennzeichnet ist, die sich berühren und Licht oder allgemein elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt sind.

Solarenergie ist eine Art erneuerbarer Energie, die auf verschiedene Weise genutzt werden kann. Eine davon ist die Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe von Sonnenkollektoren und dem photovoltaischen Effekt.

Die Energiequelle für diesen Effekt ist natürliches oder künstliches Licht, aber offensichtlich nutzen 99 % der Photovoltaikmodule Sonnenlicht. 

Wofür wird der photovoltaische Effekt genutzt?

Der photovoltaische Effekt wird bei der photovoltaischen Sonnenenergie zur Stromerzeugung genutzt.

Halbleitermaterialien (wie Silizium) haben die Besonderheit, den photovoltaischen Effekt in Sonnenkollektoren aufgrund ihres elektrischen Verhaltens zu fördern, das sie beim Auftreffen auf Lichtphotonen haben.

Solarmodule bestehen aus Photovoltaikzellen, bei denen es sich um Halbleitervorrichtungen handelt, die aus dieser Art von Material hergestellt werden. Normalerweise werden diese Halbleitermaterialien aus reinem Silizium unter Zugabe von Verunreinigungen bestimmter chemischer Elemente gebildet.

Wie entsteht der photovoltaische Effekt?

Der photovoltaische Effekt setzt in dem Moment ein, in dem ein Photon von der letzten Umlaufbahn eines Siliziumatoms auf ein Elektron trifft. Dieses letzte Elektron wird Valenzelektron genannt und erhält die Energie, mit der das Photon gereist ist.

Das Photon ist das Elementarteilchen, das alle Formen elektromagnetischer Strahlung trägt, einschließlich der Sonnenstrahlung.

Übersteigt die vom Elektron aufgenommene Energie die Anziehungskraft des Kerns des Siliziumatoms (Valenzenergie), verlässt es seine Umlaufbahn und bleibt frei. Da das Elektron frei ist, kann es durch das leitfähige Material wandern und einen Gleichstrom bilden.

Was ist der photovoltaische Effekt?

Nicht alle Photonen, die die Solarzellen erreichen, werden in Strom umgewandelt. Ein Teil der einfallenden Strahlung geht durch Reflexion (Reflexion) und ein Teil durch Transmission (geht durch die Zelle) verloren.

Wie wird in einem Solarpanel Strom erzeugt?

Jedes freigesetzte Elektron hinterlässt ein Loch oder einen freien Raum, bis es von einem Elektron gefüllt wird, das von einem anderen Atom abgesprungen ist. Diese Bewegungen von elektrischen Ladungen (Elektronen), die aus den Räumen, die sie hinterlassen, freigesetzt werden, nennt man elektrischen Strom.

Dieser Ladungsstrom kann das Material verlassen, um nützliche Arbeiten auszuführen, wie z. B. das Antreiben eines Motors, das Betreiben einer Glühbirne usw. Damit dies auf konstante und regelmäßige Weise geschieht, ist es notwendig, dass ein elektrisches Feld konstanter Polarität vorhanden ist. Dieses Feld polarisiert die Teilchen und wirkt wie eine echte Pumpe, die die Elektronen in eine Richtung treibt und in der entgegengesetzten Richtung Löcher erzeugt.

Bei herkömmlichen Solarmodulen entsteht das elektrische Feld dadurch, dass ein Bereich des Materials einen Überschuss an Elektronen (negative Ladung) aufweist, während der andere einen Mangel an Elektronen aufweist (positive Ladung). Auf diese Weise wird ein Elektron, das eine negative Ladung hat, freigesetzt, durch das Material zu dem Bereich getrieben, wo die Ladung positiv ist.

Wie wichtig sind Photonen beim photovoltaischen Effekt?

Photonen mit kurzen Wellenlängen (ultraviolette Strahlung) sind energiereicher als solche mit längeren Wellenlängen (infrarote Strahlung).

Jedes Halbleitermaterial hat eine Mindestenergie, die es ermöglicht, dass Elektronen aus ihren Atomen freigesetzt werden. Diese Energie entspricht Photonen eines bestimmten Frequenzbandes, das von ultravioletten bis zu sichtbaren Farben reicht, mit Ausnahme von Rot, das bereits eine zugehörige Energie von weniger als 1,2 Elektronenvolt hat.

Warum werden nicht alle Photonen in Elektrizität umgewandelt?

Nicht alle Photonen erreichen das Ziel, Elektronen zu trennen. Dies liegt daran, dass Photonen beim Durchgang durch das Material Energie verlieren. Manchmal haben einige Photonen zum Zeitpunkt der Kollision bereits zu viel Energie verloren, um ein Elektron zu verdrängen.

Außerdem gibt es einen Prozentsatz von Photonen, die durch die Halbleiterfolie gelangen, ohne auf ein Elektron zu stoßen, und andere, die reflektiert werden. In diesen Fällen würde der photovoltaische Effekt nicht auftreten, wodurch die Elektronen von einer Schicht zur anderen springen würden.

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Veröffentlichungsdatum: 13. Mai 2015
Letzte Überarbeitung: 9. Juni 2022