Wie funktioniert eine Solarzelle?

Der heutige Tag der Sonne bietet eine großartige Gelegenheit, um die Technologie zu verstehen, die bei der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie genutzt wird. Der Photoeffekt, eine bahnbrechende Entdeckung in der Physik Ende des 19. Jahrhunderts, bildet das Herzstück der Solartechnologie und ist von entscheidender Bedeutung für die Photovoltaik.
Solar panels on roof

Pioniere wie Heinrich Hertz und Philipp Lenard untersuchten das Phänomen, bei dem Lichtstrahlen auf eine Metalloberfläche treffen und Elektronen herauslösen. Erst Albert Einstein verstand den Photoeffekt in seiner Gesamtheit und erhielt hierfür den Nobelpreis. Einstein stellte fest, dass das Licht nicht kontinuierlich, sondern in gesonderten Teilchen, den sogenannten Photonen, auftritt. Trifft ein Photon auf eine Metalloberfläche (Kathode), kann ein Elektron gelöst werden, wenn seine Energie groß genug ist, um die Austrittsarbeit zu überwinden. Je nach Material der Kathode wird mehr oder weniger Energie benötigt, bis die Elektronen aus dem Material austreten.

Wie hoch der Energiegehalt von einstrahlendem Licht ist, hängt dabei von der Frequenz des Lichtes ab – und nicht von seiner Intensität. So wird bei Lichtfrequenzen mit kurzen Wellenlängen (bspw. blauem Licht) mehr Energie umgewandelt als bei langen Wellenlängen (bspw. rotem Licht). Die Photoelektronen verlassen die Metalloberfläche mit einer gewissen Geschwindigkeit.

Das für den den Menschen sichtbare Lichtspektrum

Wie sind Solarzellen aufgebaut?

Die Solarzelle, ein wesentlicher Bestandteil der Photovoltaik, nutzt den Photoeffekt, um Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Ihre Struktur besteht aus drei Schichten, deren gezielte Anordnung den Effekt optimiert und den Elektronenfluss ermöglicht.

Zentral sind zwei Siliziumschichten unterschiedlicher Ladung: Die n-Schicht, negativ geladen durch Anreicherung mit beispielsweise Phosphor, weist mehr Elektronen auf als Silizium. Die p-Schicht ist mit Aluminium oder Bor versetzt und darum positiv geladen. Die Positiv- bzw. Negativladung der Siliziumschichten kann mithilfe der sogenannten Dotierung variiert werden. Dabei werden Fremdatome in das Siliziumgitter eingefügt, die jeweils weniger Außenelektronen haben. Aluminium beispielsweise verfügt über drei Außenelektronen, Silizium im Vergleich über vier. Dies führt dazu, dass es in der p-Schicht an Elektronen mangelt, was eine positive Ladung erzeugt. Diese fehlenden Elektronen werden als „Löcher“ bezeichnet. Die Überzahl an Elektronen in der n-Schicht und die Unterzahl in der p-Schicht tragen zur Bildung eines elektrischen Feldes in der Grenzschicht bei. Dieses elektrische Feld erleichtert den Elektronentransport zwischen beiden Schichten und verbessert somit die Leitfähigkeit der Solarzelle.

Aufbau einer Solarzelle

Was passiert in einer Solarzelle?

Bringen wir nun die Sonne ins Spiel, kommt der Photoeffekt zum Tragen: Sobald Sonnenlicht auf die Grenzschicht trifft, löst es den Photoeffekt aus, wodurch Elektronen freigesetzt werden. Dies erzeugt positiv geladene Löcher an den betreffenden Stellen. Während die Elektronen zur Unterseite des Siliziums wandern, bewegen sich die Löcher zur Oberseite. Bei Herstellung einer Verbindung zwischen den Polen der Solarzelle und Schließung des Stromkreises fließen die Elektronen zur positiven Elektrode, während die Löcher verbleiben. Im Verlauf dieses Stromflusses verschmelzen Elektronen und Löcher, und der Prozess beginnt erneut.

Aktiver Ausbau von Solartechnologie

Die hep-Unternehmensgruppe ist ein führendes Unternehmen im Bereich erneuerbarer Energien. Wir arbeitet daran, innovative Solaranlagen zu planen, zu errichten und zu betreiben, um einen Beitrag zur Energiewende und zur Reduzierung der CO2-Emissionen zu leisten.

Darüber hinaus bietet hep privaten und (semi-)professionellen Investorinnen und Investoren die Möglichkeit, in Solarprojekte zu investieren und von den langfristigen Ertragschancen der Solarenergie zu profitieren. Dafür hat die Unternehmensgruppe verschiedene Investmentvermögen mit unterschiedlichen Laufzeiten und Rendite-Risikoprofilen konzipiert, die in einige der stärksten Solarmärkte der Welt investieren.

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