Photoeffekt

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 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.

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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.

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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.

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