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Photoeffekt

Der photoelektrische Effekt, entscheidend für die Funktionsweise von Photovoltaik-Anlagen, wurde bereits im 19. Jahrhundert entdeckt und im Laufe der Jahre durch Forscher wie Becquerel, Hertz, Lenard und schließlich Einstein, der den Effekt auf Quantenbasis erklärte, weiter erforscht. Dieses Phänomen ermöglicht die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie durch die Freisetzung von Elektronen aus Materialien unter Lichteinfluss. Solarzellen nutzen diesen Effekt, indem sie durch Photonen ausgelöste Elektronen-Loch-Paare in einem elektrischen Feld trennen, um Strom zu erzeugen. Moderne Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten und sind in Solarmodule integriert, um die Effizienz und Leistung zu optimieren. Fortschritte in Materialwissenschaft und Technologie tragen zur Steigerung der Effizienz und zur Reduktion der Kosten bei, was Solarenergie zu einer zunehmend attraktiven erneuerbaren Energiequelle macht.
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    Der photoelektrische Effekt beschreibt drei verschiedene, jedoch verwandte Prozesse der Wechselwirkung von Photonen und Materie. Der für die Stromproduktion durch Photovoltaikanlagen wichtigste Prozess wird anhand des äußeren Photoeffekts beschrieben. Dieser wurde erstmals 1839 durch den französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel beobachtet und beschrieben.

    Geschichtlicher Hintergrund

    Der Photoeffekt ist ein grundlegendes Phänomen der Physik, das erstmals im späten 19. Jahrhundert beobachtet wurde. Der deutsche Physiker Heinrich Hertz entdeckte 1887, dass UV-Licht auf Metalle einen elektrischen Strom erzeugen kann. Die Erforschung des Photoeffekts führte zu bedeutenden Fortschritten im Verständnis der Quantenmechanik. Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein eine bahnbrechende Arbeit, in der er erklärte, dass Licht Quanten, genannt Photonen, enthält. Er zeigte, dass der Photoeffekt durch den Austausch von Energie zwischen Lichtquanten und Elektronen in einem Metall verursacht wird. Für seine Arbeit erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik.

    Der als Becquerel-Effekt bezeichnete physikalische Vorgang beschreibt die Freisetzung von Ladungsträgern aus einer blanken Metalloberfläche in Elektrolyten durch Licht.
    Dieser hat Alexandre Edmond Becquerel mit nur 19 Jahren entdeckt und beschrieben. Becquerel hat zunächst zwei gleiche Elektroden in einem Elektrolyten betrachtet. Anschließend wurde nur eine der zwei Elektroden beleuchtet. Es kam dann zu einer elektrischen Spannung zwischen diesen ehemals gleichen Elektroden durch eine entstehende Potenzialdifferenz. Somit wurde hier der Grundstein für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie gelegt, jedoch konnte dieser Effekt noch nicht erklärt werden.

    Nachdem Wilhelm Halldachs durch einen Versuch an einem Blattgoldelectroskop gezeigt hatte, dass sich eine Metallplatte durch eine Bestrahlung von Photonen elektrisch aufladen ließ, untersuchte Phillip Lenard den Photoeffekt im Hochvakuum. Er konnte 1899 die einzelnen spezifischen Ladungen im elektrischen Feld isolieren und als Elektronen identifizieren.

    Letztendlich wurde der Photoeffekt durch Albert Einstein im Jahre 1905 erklärt. Seine Arbeit zu diesem Thema wurde dann 1921 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

    Physikalische Erklärung des Photoeffekts

    Der Photoeffekt ist ein Prozess, bei dem Elektronen aus einem Material herausgelöst werden, wenn Licht auf das Material trifft. Dies geschieht, weil Photonen, die diskreten Energieeinheiten des Lichts, mit den Elektronen in einem Material interagieren. Die Elektronen absorbieren die Energie der Photonen und erhalten dadurch genügend Energie, um die Bindungen, die sie an das Material binden, zu überwinden. Wenn die Energie des Photons die Austrittsarbeit des Materials übersteigt, wird das Elektron freigesetzt und kann als freies Elektron einen elektrischen Strom erzeugen. Der Photoeffekt ist eine der grundlegenden Beobachtungen, die zur Entwicklung der Quantentheorie geführt haben.

    Äußerer Photoeffekt

    Wenn Photonen auf ein Metall oder Halbleiter treffen, dann entsteht ein Energiegefälle von den Photonen in Richtung Metall. Hier geben die Photonen ihre Energie ab und lösen somit die Elektronen aus dem Atomverband. Wobei hier ein Teil der Energie gebraucht wird, um die Elektronen zu lösen. Der Rest der Energie wird dann zur Beschleunigung der Elektronen genutzt, also als kinetische Energie umgesetzt. Diese Erkenntnis von dem Herauslösen von Elektronen beschreibt zugleich einen sehr großen Meilenstein in der Quantenphysik.

    Innerer Photoeffekt

    Der innere Photoeffekt beschreibt die Wechselwirkungen innerhalb des jeweiligen Festkörpers. So wird in Festkörpern nicht immer ein Elektronen herausgelöst und aus dem Material freigesetzt.
    Anstatt dessen wird die Photonenenergie durch die Elektronen innerhalb des nicht leitenden Valenzband absorbiert und es kommt zu einer Verschiebung in das höhere Valenzband. So kommt es zu Elektronen-Loch-Paaren, welche die elektronischen Eigenschaften des betrachteten Festkörpers verändern. So entsteht eine elektrische Leitung durch Bestrahlung mit Licht.

    Nicht jeder Festkörper ist jedoch hierfür geeignet, da die Energie des eintreffenden Lichtes größer als die vorhandene Bandlücke sein muss. Die Bandlücke ist das Maß an Energie, welches benötigt wird, um den Sprung von dem Valenzband in das Leitungsband zu schaffen.

    Durch den inneren Photoeffekt wird der Stromfluss innerhalb von Solarzellen generiert. Wenn Photonen auf die Grenzschicht einer Solarzelle treffen, werden aus dieser Elektronen freigesetzt und bewegen sich nun in einem elektrischen Feld. Dieser Stromfluss durch die geladenen Elektronen kann dann genutzt werden, um Verbraucher zu betreiben.

    Aufbau einer Solarzelle

    Eine Solarzelle ist ein Halbleitergerät, das den Photoeffekt nutzt, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Eine typische Solarzelle besteht aus einer mehrschichtigen Struktur, die im Wesentlichen aus einer N-Schicht (negativ dotiertes Silizium) und einer P-Schicht (positiv dotiertes Silizium) besteht. Diese Schichten bilden eine p-n-Übergangszone, in der sich ein elektrisches Feld aufbaut.

    Das Sonnenlicht besteht aus Photonen, die auf die Solarzelle treffen und in der p-n-Übergangszone Elektronen-Loch-Paare erzeugen. Durch das elektrische Feld in der p-n-Übergangszone werden die freien Elektronen zur N-Schicht und die Löcher zur P-Schicht getrennt. Diese Trennung erzeugt eine Spannung, ähnlich einer Batterie, und ermöglicht den Fluss eines elektrischen Stroms, wenn die Solarzelle an einen externen Stromkreis angeschlossen wird.

    Eine Solarzelle hat üblicherweise eine Antireflexschicht, um die Reflexion des einfallenden Lichts zu reduzieren und die Lichtabsorption zu erhöhen. Die Oberfläche der Zelle kann auch mit einer strukturierten oder texturierten Oberfläche versehen sein, um das einfallende Licht besser einzufangen. Zusätzlich sind Solarzellen oft in einem Schutzgehäuse oder -glas eingeschlossen, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen und ihre Lebensdauer zu verlängern.

    Um eine höhere Leistung und Effizienz zu erreichen, werden Solarzellen häufig in Solarmodulen oder -paneelen kombiniert. Solarmodule bestehen aus mehreren Solarzellen, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, um die gewünschte Spannung und den gewünschten Strom zu erzeugen. Diese Module sind auf Trägermaterialien, wie zum Beispiel Aluminiumrahmen, montiert und werden mit Bypass-Dioden versehen, um Leistungsverluste durch Abschattung oder defekte Zellen zu minimieren.

    Die Energieumwandlungseffizienz, die das Verhältnis von erzeugter elektrischer Energie zur einfallenden Sonnenenergie angibt, ist ein weiterer wichtiger Aspekt von Solarzellen. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle hängt von verschiedenen Faktoren wie dem verwendeten Halbleitermaterial, der Qualität des p-n-Übergangs und der Oberflächenbeschaffenheit ab. In den letzten Jahren wurden bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad erzielt, unter anderem durch den Einsatz von Mehrschichtzellen (Tandemzellen) und die Entwicklung neuer Materialien wie Perowskit-Solarzellen.

    Im Großen und Ganzen hat die Erforschung des photoelektrischen Effekts und seiner Anwendung in Solarzellen dazu beigetragen, dass saubere und erneuerbare Energie aus dem Sonnenlicht zur Verfügung steht und damit eine immer wichtigere Alternative zu fossilen Brennstoffen darstellt. Durch die kontinuierliche Verbesserung der Solarzellentechnologie und die Senkung der Kosten für die Herstellung von Solarmodulen wird Solarenergie zunehmend zu einer wettbewerbsfähigen und umweltfreundlichen Energiequelle, die dazu beiträgt, die globalen Treibhausgasemissionen zu verringern und eine nachhaltigere Zukunft zu schaffen.

    Carsten Steffen
    Autor: Carsten Steffen
    Carsten Steffen, Gründer von photovoltaik.sh, bringt sein tiefes Verständnis für Photovoltaik und seine Begeisterung für erneuerbare Energien ein, um Kunden in Schleswig-Holstein seit 2021 schneller und kostengünstiger zu ihrer eigenen Photovoltaikanlage zu verhelfen. Ermöglicht wird das Dank der Zusammenarbeit mit lokalen Solarteuren. Regelmäßige Schulungen runden unsere Expertise ab. Mit der Gründung von photovoltaik.sh sind wir Ihr vertrauenswürdigen Partner für alle, die ihren Stromverbrauch nachhaltig gestalten möchten.
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