Der photoelektrische Effekt – die Grundlage von Solarenergie

Sich die Energie der Sonne zur Energiegewinnung zunutze zu machen, hat viele Vorteile: Die Sonne ist kostenlos, zuverlässig und emissionslos. So ist es naheliegend, den Stern als Energiequelle zu nutzen. Dies funktioniert dank des photoelektrischen Effektes.

Der photoelektrische Effekt
Der photoelektrische Effekt. Foto: AFrank99/Wikipedia

Sonnenenergie zu nutzen, der Gedanke ist alles andere als neu. Schon im 19. Jahrhundert entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) bei Experimenten mit elektrolytischen Zellen den photoelektrischen Effekt. Dieser wurde Grundlage für unsere heutige Solarenergie.

Der photoelektrische Effekt

Der photoelektische Effekt beschreibt einen physikalischen Vorgang, bei dem ein Photon – also ein „Lichtteilchen“ – von einem gebundenen Elektron – einem negativ geladenen Elementarteilchen – absorbiert wird. Hierdurch wird das Elektron aus seiner Bindung gelöst, durch den photovoltaischen Effekt die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt.

Nichts anderes leisten im Endeffekt die bekannten Solarzellen, die für die Stromerzeugung aus Sonnenenergie zuständig sind. Becquel stellte fest, dass der Strom, welcher zwischen einer Platin-Anode und -Kathode floss, unter Licht geringfügig größer war als im Dunkeln. Die Idee für die erste Photovoltaikanlage war geboren.

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Alexandre Edmond Bequerel entdeckte den photoelektrischen Effekt. Foto: Wikipedia

Grundlage für Photovoltaik

Das Prinzip der heutigen Photovoltaikanlagen beruht auf dem im 19. Jahrhundert entdeckten Vorgang. Dabei werden zwei Schichten eines Halbleiters wie beispielsweise Silicium durch Dotieren („gezieltes Verunreinigen“) mit unterschiedlichen Fremdatomen wie z. B. Phosphor oder Bohr so manipuliert, dass eine negative und eine positive Leitschicht entstehen. Die Grenzschicht, die dadurch gebildet wird, nennt sich p-n-Übergang und bildet das Kernelement von Solarzellen. Wird dieser p-n-Übergang mit Sonnenlicht bestrahlt, entstehen durch die Absorbtion der Photonen freie Ladungsträger (negative Elektronen und positive „Defektelektronen“). Diese werden durch das elektrische Feld bewegt und erzeugen so Strom. Mit Hilfe von metallenen Kontakten an beiden Seiten der Zelle kann der Strom letztendlich entnommen werden.

Der erste professionelle Einsatz von Photovoltaikelementen erfolgte 1958. Der Satellit Vanguard 1 lieferte, nur von Solarzellen betrieben, sieben Jahre lang Daten aus dem All. Heute sind Solaranlagen, sei es zur direkten Stromgewinnung, sei es für Solarthermie, aus dem Straßenbild nicht mehr wegzudenken.