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Wie funktioniert Photovoltaik? - Die Physik dazu einfach erklärt

Photovoltaik ist der übergreifende Begriff für die Erzeugung von elektrischem Strom aus Lichtenergie in Solarzellen. Aber wie genau funktioniert das?

Der Photoeffekt ist im Alltag angekommen.
Der Photoeffekt ist im Alltag angekommen.

Der Photoeffekt - das sollten Sie wissen

  • Der Photoeffekt wird auch lichtelektrischer Effekt genannt, ein erster Hinweis auf seinen physikalischen Hintergrund.
  • Beim Photoeffekt werden durch Lichteinwirkung Elektronen aus ihrem Bindungszustand herausgelöst. Manchmal wird in diesem Zusammenhang auch der Begriff "herausschlagen" verwendet.
  • Diese Elektronen stehen dann für den elektrischen Ladungstransport zur Verfügung.
  • Der Physiker Philipp Lenard beschrieb den genannten Effekt, doch erst Albert Einstein konnte ihn 1907 mithilfe seiner Lichtquantenhypothese erklären. 
  • Damit erwies sich u. a. die bis dahin unangefochtene Wellentheorie des Lichtes als nicht mehr haltbar. Der Photoeffekt ist ein eindeutiger Beweis für die Existenz von Lichtteilchen, auch Photonen genannt. Diese Erklärung führte letztendlich zum Dualismus von Welle und Teilchen.
  • Was kWp ist, lässt sich relativ leicht erklären. Es handelt sich um eine theoretische …

Photovoltaik - so funktioniert eine Solarzelle

  • Ursprünglich in den 1960er Jahren für die Raumfahrt als Energiequelle konzipiert, findet man die Photovoltaik in Form unterschiedlich aufgebauter Solarzellen inzwischen auch im Alltag.
  • Prinzipiell funktioniert jede der verwendeten Solarzellen mit dem beschriebenen Photoeffekt, sprich: In Solarzellen werden die Photonen des Sonnenlichtes, unabhängig von baulichen Eigenheiten und gewählten Materialien, direkt in elektrische Energie umgewandelt.
  • Bei den heute meist gängigen Photovoltaikmodellen handelt es sich um ein Halbleitermaterial  wie zum Beispiel Silizium (oder eine Kombination aus solchen Materialien wie Galliumarsenid). Allerdings gibt es inzwischen auch Photovoltaik aus bestimmten Kunststofffolien oder organischen Stoffen.
  • In den Halbleitermaterialien funktioniert der Photoeffekt jedoch etwas anders als in Metallen. Dort werden nicht Elektronen aus dem Material herausgeschlagen, sondern die Lichtquanten erzeugen mit ihrer Energie sog. Elektron-Loch-Paare.
  • Dabei handelt es sich um zwei entgegengesetzte Ladungsträger, nämlich das negativ geladene Elektron, und ein positiv geladenes "Überbleibsel", oft auch einfach Defektelektron genannt.
  • Dieses Paar wird durch besondere Materialeigenschaften (meist Dotieren mit Fremdatomen) getrennt und baut die Spannung der Solarzelle auf.
  • An angebrachten (leitfähigen) Elektroden kann diese Spannung dann abgegriffen werden.
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