Der photovoltaische Effekt ist ein grundlegendes Phänomen bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom. Sie zeichnet sich durch die Erzeugung eines elektrischen Stroms aus, wenn zwei verschiedene Materialien in Kontakt kommen und Licht oder elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt werden.
Dieser Effekt wird hauptsächlich durch Sonnenlicht aktiviert, kann jedoch auch durch natürliche oder künstliche Lichtquellen ausgelöst werden. In der Praxis nutzt die überwiegende Mehrheit der Photovoltaikmodule jedoch ausschließlich Sonnenlicht als Energiequelle.
Der französische Physiker Alexandre-Edmond Becquerel war es, der dieses Phänomen 1839 bei der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Licht und Elektrizität entdeckte und damit den Beginn der Entwicklung der Photovoltaik-Technologie markierte.
Nutzung und Anwendungen des photovoltaischen Effekts
Der photovoltaische Effekt wird grundsätzlich zur Erzeugung elektrischer Energie durch die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom genutzt. Diese Anwendung findet in Technologien wie Photovoltaik-Solarmodulen statt, die Halbleitermaterialien verwenden, um dieses Phänomen auszunutzen.
Halbleitermaterialien wie Silizium sind für diese Anwendung aufgrund ihrer Fähigkeit, den photovoltaischen Effekt zu nutzen, von entscheidender Bedeutung. Wenn Lichtphotonen auf diese Materialien treffen, lösen sie eine Anregung der Elektronen aus und erzeugen so elektrischen Strom.
Die Grundlage dieser Technologie bilden Sonnenkollektoren, die aus Photovoltaikzellen bestehen. Diese Zellen bestehen aus Halbleitermaterialien, im Allgemeinen reinem Silizium mit kontrollierten Verunreinigungen, die die Effizienz der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität maximieren. Dieser Prozess ist für die Gewinnung sauberer und erneuerbarer Energie unerlässlich und trägt wesentlich zur Eindämmung des Klimawandels und zur Energieunabhängigkeit bei.
Wie funktioniert es
Der photovoltaische Effekt beginnt, wenn ein Photon auf ein Elektron aus der letzten Umlaufbahn eines Siliziumatoms trifft. Dieses letzte Elektron wird Valenzelektron genannt und empfängt die Energie, mit der sich das Photon bewegt hat.
Das Photon ist das Elementarteilchen, das alle Formen elektromagnetischer Strahlung, einschließlich der Sonnenstrahlung, transportiert.
Übersteigt die vom Elektron aufgenommene Energie die Anziehungskraft des Kerns des Siliziumatoms (Valenzenergie), verlässt es seine Umlaufbahn und ist frei. Im freien Zustand kann das Elektron durch das leitende Material wandern und dabei einen Gleichstrom erzeugen.
Nicht alle Photonen, die Solarzellen erreichen, werden in Strom umgewandelt. Ein Teil der einfallenden Strahlung geht durch Reflexion verloren (sie wird reflektiert) und ein anderer Teil durch Transmission (sie dringt durch die Zelle).
Photovoltaikzellen mit photoelektrischem Effekt: aktuelle Generation
Jedes freigesetzte Elektron hinterlässt ein Loch oder einen freien Raum, bis es durch ein Elektron gefüllt wird, das von einem anderen Atom abgesprungen ist. Diese Bewegungen elektrischer Ladungen (Elektronen), die aus den Räumen, die sie hinterlassen, freigesetzt werden, werden als elektrischer Strom bezeichnet.
Dieser Ladungsstrom kann das Material verlassen, um nützliche Aufgaben zu erfüllen, z. B. einen Motor anzutreiben, eine Glühbirne anzutreiben usw. Damit dies konstant und regelmäßig geschieht, muss ein elektrisches Feld konstanter Polarität vorhanden sein. Dieses Feld polarisiert die Teilchen und fungiert als echte Pumpe, die die Elektronen in eine Richtung treibt und Löcher in die entgegengesetzte Richtung erzeugt.
Bei herkömmlichen Solarmodulen entsteht das elektrische Feld dadurch, dass ein Bereich des Materials einen Überschuss an Elektronen aufweist (negative Ladung), während der andere Bereich einen Mangel an Elektronen aufweist (positive Ladung). Wenn auf diese Weise ein negativ geladenes Elektron freigesetzt wird, wird es durch das Material in den Bereich geschleudert, in dem die Ladung positiv ist.
Bedeutung von Photonen
Photonen kleiner Wellenlängen (ultraviolette Strahlung) sind energiereicher als Photonen längerer Wellenlängen (Infrarotstrahlung).
Jedes Halbleitermaterial hat eine Mindestenergie, die es ermöglicht, Elektronen aus seinen Atomen freizusetzen. Diese Energie entspricht Photonen eines bestimmten Frequenzbandes, das von ultravioletten bis zu sichtbaren Farben reicht, mit Ausnahme von Rot, dessen Energie bereits weniger als 1,2 Elektronenvolt beträgt.
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 im Moment der Kollision bereits zu viel Energie verloren, um ein Elektron zu verdrängen.
Ebenso gibt es einen Prozentsatz an Photonen, die die Halbleiterschicht durchdringen, ohne auf Elektronen zu treffen, und andere, die reflektiert werden. In diesen Fällen würde der photovoltaische Effekt nicht auftreten, indem die Elektronen von einer Schicht zur anderen springen.