Artikel aktualisiert am 07.05.2023
von Boris Stippe | ca: 8 Min. zu lesen

Photoeffekt

Wie gewinnen Solarzellen Strom aus Sonnenlicht?

Der Photoeffekt ist ein physikalisches Phänomen, bei dem Elektronen aus einem Material freigesetzt werden, wenn Lichtenergie darauf trifft. Diese Elektronen können dann zur Stromerzeugung genutzt werden, wie z. B. in der Solarzellentechnologie.

Grafik Photoeffekt
Grafik Photoeffekt (Bildquelle: KKT Madhusanka – stock.adobe.com)

Der Photoeffekt ist ein grundlegendes physikalisches Phänomen, bei dem Elektronen aus einem Material herausgeschlagen werden, wenn Lichtenergie darauf trifft. Dieser Effekt wurde erstmals Ende des 19. Jahrhunderts von Heinrich Hertz und 1905 von Albert Einstein beschrieben und gilt als eine der wichtigsten Grundlagen der modernen Quantenphysik.

In der Solarenergie wird der Photoeffekt zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt. In einer Solarzelle wird ein Halbleitermaterial wie Silizium verwendet, das in der Lage ist, Lichtenergie zu absorbieren und Elektronen freizusetzen. Wenn ein Photon auf das Material trifft, kann es ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband „heben“, wodurch ein Elektron-Loch-Paar entsteht. Die freien Elektronen können dann genutzt werden, um einen Stromkreis zu durchlaufen und elektrische Energie zu erzeugen.

Der Photoeffekt ist ein entscheidender Faktor für den Wirkungsgrad von Solarzellen, da er bestimmt, wie viele Elektronen von der Lichtenergie absorbiert werden können. Durch die Optimierung von Halbleitermaterialien und die Verwendung mehrerer Materialschichten, die unterschiedliche Wellenlängen des Lichts absorbieren können, wird versucht, die Effizienz von Solarzellen zu maximieren.

Wie funktioniert der photoelektrische Effekt in Solarzellen?

In Solarzellen wird der photoelektrische Effekt genutzt, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Dieser Effekt beruht auf der Wechselwirkung von Licht und Materie, genauer gesagt auf der Absorption von Photonen durch das Halbleitermaterial der Solarzelle.

Der Prozess beginnt, wenn ein Photon auf die Solarzelle trifft und von einem Elektron im Halbleitermaterial absorbiert wird. Ist die Energie des Photons groß genug, kann das Elektron aus seiner Bindung an den Atomkern „herausgeschlagen“ werden und sich frei durch das Material bewegen. Es entsteht ein so genanntes Elektron-Loch-Paar, bei dem ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband gehoben wird und im Valenzband eine fehlende negative Ladung, ein so genanntes „Loch“, zurückbleibt.

Die freien Elektronen und Löcher können nun zu den Kontakten der Solarzelle wandern und dabei eine Spannung erzeugen. Wird ein externer Stromkreis angeschlossen, können Elektronen von der negativen auf die positive Seite fließen und so Strom erzeugen, der zum Betrieb elektrischer Geräte oder zur Speicherung in einer Batterie genutzt werden kann.

Damit der photoelektrische Effekt effektiv genutzt werden kann, muss das Halbleitermaterial in der Solarzelle so beschaffen sein, dass es möglichst viele Photonen absorbiert und möglichst viele Elektron-Loch-Paare erzeugt. Dazu werden oft spezielle Materialien wie Silizium, Galliumarsenid oder Cadmiumtellurid verwendet, die geeignete elektronische Eigenschaften besitzen und in verschiedenen Schichten so aufeinander abgestimmt werden können, dass sie möglichst viel Sonnenlicht absorbieren und effektiv in elektrische Energie umwandeln.

Welche Materialien werden in Solarzellen verwendet, um den photoelektrischen Effekt zu nutzen?

In Solarzellen werden Halbleitermaterialien verwendet, um den photoelektrischen Effekt zu nutzen und Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Die Wahl des richtigen Halbleitermaterials ist entscheidend für eine hohe Effizienz und Leistung der Solarzelle.

Eines der am häufigsten in Solarzellen verwendeten Materialien ist Silizium, das in Form von kristallinem oder amorphem Silizium verwendet wird. Es ist ein weit verbreitetes Material mit hoher Stabilität und Leistung, aber auch relativ hohen Herstellungskosten. Silizium-Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von ca. 15-20% und sind derzeit der am häufigsten verwendete Solarzellentyp.

Eine Alternative zu Silizium ist das Material Galliumarsenid, das einen höheren Wirkungsgrad aufweist und somit eine höhere Leistung pro Flächeneinheit erzeugen kann. Galliumarsenid-Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von ca. 30%, sind aber aufgrund der hohen Herstellungskosten und des schwierigen Herstellungsprozesses weniger verbreitet.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Cadmiumtellurid, das billiger und einfacher herzustellen ist als Silizium und Galliumarsenid. Cadmiumtellurid-Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von ca. 10-15%, was niedriger ist als bei Silizium- und Galliumarsenid-Solarzellen. Die Verwendung von Cadmiumtellurid ist jedoch umstritten, da das Material giftig ist und potenzielle Umweltprobleme bei der Herstellung und Entsorgung verursachen kann.

In jüngster Zeit wurden auch organische Materialien wie Polymersolarzellen entwickelt, die sich durch hohe Flexibilität und geringere Herstellungskosten auszeichnen. Sie haben jedoch einen geringeren Wirkungsgrad als Silizium- und Galliumarsenid-Solarzellen und befinden sich derzeit noch in der Entwicklung.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad von Solarzellen und welchen Einfluss hat der Photoeffekt?

Der Wirkungsgrad ist ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit von Solarzellen und bestimmt, wie viel Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Der Wirkungsgrad wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, unter anderem durch den Photoeffekt.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist definiert als das Verhältnis der erzeugten elektrischen Energie zur absorbierten Sonnenenergie. Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt typischerweise zwischen 15 und 25 %, obwohl einige spezielle Solarzellen einen Wirkungsgrad von bis zu 46 % erreichen können. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass die Solarzelle mehr Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln und somit mehr Strom erzeugen kann.

Der Photoeffekt spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Wirkungsgrads von Solarzellen, da er bestimmt, wie viele Photonen von der Solarzelle absorbiert und in Elektronen-Loch-Paare umgewandelt werden können. Je mehr Photonen absorbiert werden können, desto mehr Elektronen-Loch-Paare können erzeugt werden, was zu einer höheren Stromproduktion führt.

Eine Möglichkeit, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen, besteht darin, das Halbleitermaterial und das Design der Solarzelle so zu optimieren, dass mehr Sonnenlicht absorbiert wird. Dies kann z.B. durch spezielle Schichten aus verschiedenen Halbleitermaterialien geschehen, die unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts absorbieren und so die Energieausbeute maximieren.

Eine weitere Möglichkeit, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen, besteht darin, die Wärmeverluste zu minimieren und die Energieumwandlung effizienter zu gestalten. Dazu können spezielle Beschichtungen und Reflektoren eingesetzt werden, die das Sonnenlicht besser leiten und den Wärmeverlust minimieren.

Wie kann der photoelektrische Effekt in der Praxis zur Gewinnung von Solarenergie genutzt werden?

Der photoelektrische Effekt kann in der Praxis zur Erzeugung von Solarenergie genutzt werden, indem er in Solarzellen eingesetzt wird. Eine Solarzelle besteht aus einem Halbleitermaterial, das in der Lage ist, Sonnenlicht zu absorbieren und Elektronen-Loch-Paare zu erzeugen. Diese Elektronen-Loch-Paare werden dann in einem elektrischen Feld innerhalb der Solarzelle getrennt, wodurch eine elektrische Spannung erzeugt wird.

Eine Solarzelle besteht aus mehreren Schichten von Halbleitermaterialien, die speziell aufeinander abgestimmt sind, um eine maximale Absorption des Sonnenlichts und eine hohe Trennung der Elektronen-Loch-Paare zu ermöglichen. Die oberste Schicht der Solarzelle besteht in der Regel aus einem Material, das Sonnenlicht absorbieren kann, wie z. B. Silizium oder Galliumarsenid. Die darunter liegenden Schichten bestehen aus Materialien, die die elektrischen Eigenschaften der Solarzelle verbessern und einen höheren Wirkungsgrad ermöglichen.

Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, wird es von der obersten Schicht absorbiert und regt Elektronen im Halbleitermaterial an. Diese Elektronen werden dann durch ein elektrisches Feld in der Solarzelle getrennt und fließen in eine Richtung, während die Löcher in die entgegengesetzte Richtung fließen. Durch den Anschluss eines externen Stromkreises kann der erzeugte Strom genutzt werden, um elektrische Geräte zu betreiben oder in einer Batterie zu speichern.

Der Wirkungsgrad von Solarzellen hängt von verschiedenen Faktoren ab, z. B. der Intensität des Sonnenlichts, der Ausrichtung und Neigung der Solarzelle, dem Wirkungsgrad der Materialien und dem Design der Solarzelle. Um die Leistung von Solarzellen zu maximieren, werden häufig spezielle Beschichtungen und Reflektoren verwendet, um das Sonnenlicht besser zu leiten und Wärmeverluste zu minimieren.

Gibt es alternative Technologien zur Solarzellentechnologie, die nicht den Photoeffekt nutzen?

Ja, es gibt alternative Technologien zur Solarzellentechnologie, die nicht den Photoeffekt nutzen. Hier einige Beispiele:

  • Solarthermie: Im Gegensatz zur Solarzellentechnologie, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt, nutzt die Solarthermie die Wärmeenergie der Sonne, um Wasser oder Luft zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, der zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Diese Technologie wird häufig in Solarkraftwerken zur Erzeugung großer Strommengen eingesetzt.
  • Konzentrator-Photovoltaik: Bei dieser Technologie wird das Sonnenlicht auf kleine Solarzellen gebündelt, um eine höhere Leistung pro Flächeneinheit zu erzielen. Diese Technologie kann höhere Wirkungsgrade als herkömmliche Solarzellen erzielen, ist aber aufgrund der benötigten Komponenten wie Linsen, Spiegel und Nachführsysteme oft teurer und komplexer.
  • Thermoelektrische Generatoren: Diese Technologie nutzt den Seebeck-Effekt, um aus Temperaturunterschieden zwischen zwei verschiedenen Materialien eine elektrische Spannung zu erzeugen. Wird eine Seite des Materials durch Sonnenlicht erwärmt und die andere Seite durch die Umgebungstemperatur abgekühlt, kann eine elektrische Spannung erzeugt werden.
  • Windkraft: Windkraftanlagen nutzen die kinetische Energie des Windes zur Erzeugung von Strom. Diese Technologie hat sich als effektive und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Energiequellen erwiesen und wird zunehmend in Ländern mit günstigen Windverhältnissen eingesetzt.
  • Geothermische Energie: Diese Technologie nutzt die natürliche Wärmeenergie aus dem Erdinneren, um Dampf zu erzeugen, der zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Sie ist eine kostengünstige und umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Energiequellen und wird in Ländern mit geothermischen Ressourcen wie Island und den USA eingesetzt.

Fazit

Der Photoeffekt ist ein grundlegendes physikalisches Phänomen, bei dem Elektronen aus einem Material freigesetzt werden, wenn Lichtenergie darauf trifft. Dieser Effekt wird in der Solarenergie genutzt, um in Halbleitermaterialien Elektronen-Loch-Paare zu erzeugen und so Strom zu produzieren. Die Wahl des richtigen Halbleitermaterials ist entscheidend für eine hohe Effizienz und Leistung der Solarzelle. Es gibt auch alternative Technologien zur Solarzellentechnologie, die nicht den Photoeffekt nutzen, wie Solarthermie, Konzentrator-Photovoltaik, thermoelektrische Generatoren, Windkraft und geothermische Energie.

Nach oben scrollen
Share via
Copy link