Photovoltaischer Effekt – Wie es funktioniert
Definition des photovoltaischen Effekts
Der photovoltaische Effekt ist ein fotoelektrischer Prozess, der in einer Photovoltaikzelle eine Spannung oder einen elektrischen Strom erzeugt, wenn sie Sonnenlicht ausgesetzt ist. Der Hauptunterschied zwischen dem photoelektrischen und dem photovoltaischen Effekt liegt darin, dass der Begriff photoelektrischer Effekt normalerweise verwendet wird, wenn das Elektron aus dem Material herausgeschleudert wird (üblicherweise in ein Vakuum), während der photovoltaische Effekt verwendet wird, wenn der angeregte Ladungsträger innerhalb des Materials verbleibt. In beiden Fällen wird durch die Trennung von Ladungen ein elektrisches Potential (oder Spannung) erzeugt, und das Licht muss ausreichend Energie besitzen, um die Potentialbarriere zur Anregung zu überwinden. In den meisten photovoltaischen Anwendungen ist die Strahlung Sonnenlicht, und die Geräte werden als Solarzellen bezeichnet.
Photoelektrischer Effekt
Allgemein ist der photoelektrische Effekt die Emission von Fotoelektronen aus einem Material, wenn elektromagnetische Strahlung (Photonen) auf seine Oberfläche trifft. Beim photoelektrischen Effekt tritt ein Photon in Wechselwirkung mit einem in einem Atom gebundenen Elektron. Das Photon verschwindet vollständig in dieser Wechselwirkung, und das Atom stößt ein energiereiches Fotoelektron aus einer seiner gebundenen Schalen aus. Die kinetische Energie des ausgestoßenen Fotoelektrons (Ee) entspricht der Energie des einfallenden Photons (hν) minus der Bindungsenergie des Fotoelektrons in seiner ursprünglichen Schale (Eb). Ee = hν – Eb
Anwendungen des photovoltaischen Effekts
Der photovoltaische Effekt ist ein fotoelektrischer Prozess, der in einer Photovoltaikzelle eine Spannung oder einen elektrischen Strom erzeugt, wenn sie Sonnenlicht ausgesetzt ist. Bei einem photovoltaischen Gerät werden Photonen in Elektrizität umgewandelt. Der Prozess beinhaltet die Erzeugung von Ladungsträgern durch Photonabsorption, ihre Trennung und Transport sowie letztendlich ihre Sammlung an Elektroden.
Photonenabsorption
Zunächst treffen Photonen im Sonnenlicht auf das Solarpanel und werden von Halbleitermaterialien absorbiert. Ihre Energie wird an ein Elektron im Kristallgitter abgegeben. Ist die Energie höher als die Bindungsenergie des Elektrons, wird das Elektron aus der Bindung in das Leitungsband befreit, wo es sich innerhalb des Halbleiters frei bewegen kann. Dies führt zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares.
Ladungsträgerseparation
Die am häufigsten bekannte Solarzelle ist als großflächiger p-n-Übergang (Halbleiterstruktur mit eingebautem elektrischem Feld) aus Silizium konfiguriert. Zur Vereinfachung kann man sich vorstellen, dass eine Schicht aus n-Typ-Silizium in direkten Kontakt mit einer Schicht aus p-Typ-Silizium gebracht wird. Aufgrund der p-n-Übergangskonfiguration und der Materialien in Solarzellen dürfen sich die Elektronen nur in eine Richtung bewegen. Die elektronische Struktur der Materialien ist sehr wichtig für den Prozess, und oft wird Silizium, das geringe Mengen Bor oder Phosphor enthält, in verschiedenen Schichten verwendet. Das Elektron wird durch dieses Feld in Richtung der n-Seite und das Loch in Richtung der p-Seite gedrückt.
Ladungssammlung und Rekombination
Elektronen, die auf der n-Typ-Seite erzeugt werden, „gesammelt“ durch den Übergang und auf die n-Typ-Seite geschleudert werden, können durch den Draht wandern, die Last antreiben und durch den Draht weiterlaufen, bis sie den p-Typ-Halbleiter-Metall-Kontakt erreichen. Hier rekombinieren sie mit einem Loch, das entweder als Elektron-Loch-Paar auf der p-Typ-Seite der Solarzelle erzeugt wurde oder ein Loch, das nach seiner Erzeugung auf der n-Typ-Seite über den Übergang geschleudert wurde. Ein Array aus Solarzellen wandelt Sonnenenergie in eine nutzbare Menge Gleichstrom (DC) um. Die gemessene Spannung entspricht der Differenz der Quasi-Fermi-Niveaus der Mehrheitsträger (Elektronen im n-Typ-Teil und Löcher im p-Typ-Teil) an den beiden Anschlüssen.
Photovoltaik in der Praxis
Photovoltaik findet heute vor allem in Form von Solarzellen Anwendung, bei denen Sonnenstrahlung als Energiequelle dient. Solarenergie ist mittlerweile eine der am meisten verfügbaren Energiequellen auf dem Markt. Sie kann Strom an Orte liefern, an denen es keine Anbindung an das Stromnetz gibt. Erneuerbare Energiequellen werden immer beliebter, da die Kosten für PV-Module in den letzten 5 Jahren gesunken sind und sie im Vergleich zu anderen Energiequellen eine geringe Umweltbelastung aufweisen. Solarzellen bestehen aus Materialien, die als Halbleiter bezeichnet werden. Bei einer Halbleiter-p-n-(Diode)-Verbindungs-Solarzelle erzeugt das Beleuchten des Materials einen elektrischen Strom, da angeregte Elektronen und die verbleibenden Löcher durch das eingebaute elektrische Feld der Verarmungszone in verschiedene Richtungen geschleudert werden. Eine PV-Zelle erzeugt Gleichstrom (DC) aus diesen Halbleitern, wenn sie von Photonen bestrahlt wird. Eine typische einzelne Silizium-Solarzelle kann eine maximale Leerlaufspannung von etwa 0,5 bis 0,6 Volt erzeugen. Solarzellen werden normalerweise in Serie geschaltet, um eine additive Spannung zu erzeugen. Eine Parallelschaltung von Zellen ergibt einen höheren Strom. Mehrere in einer Ebene ausgerichtete Solarzellen bilden ein Solar-Photovoltaik-Panel oder -Modul. Die typische Leerlaufspannung eines 300-Watt-Solarpanels sollte bei etwa 39 Volt und der Kurzschlussstrom bei 8,33 Ampere unter idealem Winkel und bei voller Sonneneinstrahlung liegen. Ihre Lebensdauer kann 20-30 Jahre erreichen.
