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Photovoltaik Funktion: Wie Solarzellen aus Sonnenlicht Strom erzeugen
Wie funktioniert Photovoltaik genau? Wir erklären den physikalischen Prozess der Stromerzeugung in Solarzellen verständlich und umfassend.
Die Funktion der Photovoltaik basiert auf einem faszinierenden physikalischen Effekt, der bereits 1839 von Alexandre Edmond Becquerel entdeckt wurde: dem photoelektrischen Effekt. Doch wie genau wird Sonnenlicht in Solarzellen zu elektrischem Strom umgewandelt? Dieser Beitrag erklärt die Photovoltaik Funktion von den physikalischen Grundlagen bis zur praktischen Anwendung.
Der photoelektrische Effekt beschreibt das Phänomen, dass Licht Elektronen aus einem Material herauslösen oder in einem Halbleiter freie Ladungsträger erzeugen kann. Albert Einstein lieferte 1905 die theoretische Erklärung dafür und erhielt dafür den Nobelpreis für Physik. Er erkannte, dass Licht aus Energiepaketen besteht, den sogenannten Photonen, und dass jedes Photon eine bestimmte Energiemenge trägt, die von der Wellenlänge des Lichts abhängt.
Das Herzstück einer Solarzelle ist ein Halbleitermaterial, in der Regel Silizium. Silizium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste und eignet sich hervorragend für die Photovoltaik. In seinem reinen Zustand ist Silizium ein schlechter elektrischer Leiter. Durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen – ein Prozess, der als Dotierung bezeichnet wird – werden seine elektrischen Eigenschaften jedoch grundlegend verändert.
Bei der n-Dotierung werden Atome mit fünf Außenelektronen, beispielsweise Phosphor, in das Siliziumgitter eingebracht. Da Silizium nur vier Außenelektronen hat, steht bei der n-Dotierung ein überschüssiges Elektron zur Verfügung, das sich frei im Kristallgitter bewegen kann. Bei der p-Dotierung werden Atome mit nur drei Außenelektronen, beispielsweise Bor, eingebracht. Dadurch entsteht ein sogenanntes Loch – ein Platz, an dem ein Elektron fehlt. Dieses Loch verhält sich wie ein positiver Ladungsträger.
Wenn eine n-dotierte und eine p-dotierte Siliziumschicht zusammengebracht werden, entsteht an der Grenzfläche der sogenannte pn-Übergang. An dieser Grenzschicht diffundieren Elektronen aus der n-Schicht in die p-Schicht und rekombinieren dort mit den Löchern. Dadurch baut sich ein elektrisches Feld auf, die sogenannte Raumladungszone. Dieses elektrische Feld ist entscheidend für die Funktion der Solarzelle.
Wenn nun Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden Photonen vom Silizium absorbiert. Jedes absorbierte Photon mit ausreichender Energie erzeugt ein Elektron-Loch-Paar. Das elektrische Feld am pn-Übergang trennt diese Ladungsträger: Elektronen werden zur n-Schicht gedrängt, Löcher zur p-Schicht. Dadurch baut sich eine elektrische Spannung auf. Wird ein äußerer Stromkreis geschlossen, fließen die Elektronen von der n-Schicht über den Verbraucher zur p-Schicht – es fließt elektrischer Strom.
Die Spannung einer einzelnen Silizium-Solarzelle beträgt etwa 0,5 bis 0,7 Volt. Um eine nutzbare Spannung zu erreichen, werden viele Solarzellen in Serie geschaltet und zu einem Solarmodul zusammengefasst. Ein typisches Modul enthält 60 bis 72 Zellen und liefert eine Spannung von etwa 30 bis 40 Volt.
