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Photovoltaik - eine Einführung

Definition des Begriffes Photovoltaik

Der Begriff Photovoltaik leitet sich ab von griechisch photos "Licht" und voltaik, in Anlehnung an den Physiker Alessandro Volta, der u.a. die erste funktionierende Batterie baute und viel mit elektrischem Strom experimentierte. Photovoltaische Systeme zeichnen sich durch zwei entscheidende Schritte aus:

  1. Licht aufnehmen.
  2. Mit der Lichtenergie in dotierten Halbleitern elektrischen Gleichstrom generieren.

Eine Solarzelle (photovoltaische Zelle) nutzt (Sonnen-)Licht, um elektrischen Strom zu erzeugen. Der Prozess, der dahinter steckt, wird als photoelektrischer Effekt oder Photoeffekt bezeichnet: Durch die Absorption von Lichtquanten (Photonen) werden frei bewegliche Ladungsträger erzeugt, wenn die Energie des eingestrahlten Lichtes größer ist als die Bindungsenergie der Elektronen. Trifft Licht mit ausreichender Energie auf einen Verband von Teilchen, beispielsweise auf die Oberfläche von Metallen, werden Elektronen frei (Abb. 1) . In einer Solarzelle, in der durch zwei unterschiedlich dotierte Halbleiter, die miteinander in elektrischem Kontakt stehen, eine Asymmetrie erzeugt wird, können die frei werdenden Elektronen in einen Stromkreis überführt werden (Abb. 2) .

Abb.1
Photoeffekt auf einer Metalloberfläche1)
Abb.2
Photoeffekt in einer Solarzelle

Beim Photoeffekt auf einer Metalloberfläche (Abb. 1) werden Elektronen frei, wenn die Energie des eingestrahlten Lichts größer wird als die Bindungsenergie. Die Asymmetrie in einer Solarzelle befördert solche Elektronen, die frei geworden sind, in einen elektrischen Stromkreis (Abb. 2) .

Die photovoltaische Energieumwandlung lässt sich in vier Schritten beschreiben:

  1. Licht wird absorbiert, wodurch Elektronen im photoelektrisch aktiven Material (dem Absorber) von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand angehoben werden.
  2. Der angeregte Zustand wird in (mindestens) einen freien positiven und einen freien negativen Ladungsträger - ein sogenanntes Elektron-Loch-Paar - umgewandelt.
  3. Durch zwei Transportmechanismen werden die gebildeten negativen Ladungsträger in eine Richtung zu einem Kontakt, den man in diesem Fall Kathode nennt, befördert und die positiven in eine andere Richtung zur Anode (siehe Löcherleitung).2)
  4. Die negativen Ladungsträger, die an der Kathode ankommen, wandern durch einen elektrischen Stromkreis (etwa ein Kabel). Währenddessen verlieren sie ihre Energie, wenn sie einen elektrischen Verbraucher antreiben, also etwa eine Lampe zum Leuchten bringen, bis sie schließlich an der Anode der Solarzelle ankommen. Dort verbindet sich jedes einzelne "zurückkehrende" Elektron mit einem Loch, einem zuvor generierten positiven Ladungsträger.

Wie viel Strom eine Solarzelle liefert, hängt unter anderem von der Beschaffenheit der Lichtquelle ab - von der Intensität und dem Spektrum des eingestrahlten Lichts. Die photovoltaische Energieumwandlung besteht also in der direkten Erzeugung von elektrischer Energie in Form von Strom und Spannung aus elektromagnetischer Strahlung (zum Beispiel Licht, infrarote und ultraviolette Strahlung).

2)Fonash, S. J. (2009): Solar Cell Device Physics. Academic Press Inc. ,
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