Photoeffekt

Auf dem sogenannten Photoeffekt oder auch photoelektrischen Effekt basiert die Umwandlung des Sonnenlichts in solaren Strom. Dieser Photoeffekt wurde schon 1836 von Becquerel entdeckt, dessen Sohn dem Maß für Radioaktivität den Namen gab.

Nach der Entdeckung durch Becquerel fehlte für viele Jahre eine plausible Erklärung des Photoeffekts. In den darauf folgenden Jahren gab es umfangreiche Untersuchungen zum Photoeffekt, eine erste einfache Photozelle wurde 1883 aus Selen aufgebaut. 1904 erläuterte Philippe Lenard näher, dass Lichtstrahlen Elektronen aus Metallen lösen, aber es blieb noch unbekannt, wieso dies geschieht.

1921 erhielt schließlich Einstein den Nobelpreis für Physik für seine schon 1907 erfolgte Theorie zum photoelektrischen Effekt. Auf diese theoretische Erklärung folgte zwischen 1912 und 1916 der experimentelle Nachweis durch Millikan.

Die Entdeckung des pn-Übergangs und seine theoretische Erklärung erfolgten dann in den 1940er Jahren. 1953 wurde die erste Solarzelle erbaut.

Der für die Photovoltaik interessante innere photoelektrische Effekt ist in Halbleitern zu beobachten, bei denen Elektronen durch die Photonen aus dem Valenzband in das Leitungsband verschoben werden.

Das geschieht jedoch nur, wenn die Energie der Photonen der Bandlücke des Halbleiters entspricht. Der photovoltaische Effekt benötigt zusätzlich einen pn-Übergang, sodass eine Ladungstrennung stattfinden kann.

Die Ladungsträger werden in einer Photodiode getrennt. Diese Photodiode wandelt also die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie. Eine Solarzelle ist nichts anderes als eine Photodiode, bei der die Stromstärke mehr oder weniger proportional zur Strahlung zunimmt.

Basierend auf den Entwicklungen in den Bells Laboratories, wo die ersten Solarzellen mit geringem Wirkungsgrad aufgebaut wurden, folgte ab Ende der 1950er Jahre eine rasante Entwicklung der Photovoltaikzellen.

Sie wurden bald zur Energieversorgung im Weltall genutzt und wurden später, unter anderem wegen der Suche nach Alternativen angesichts der Ölkrise und des Atomreaktorunfalls auf Three Miles Island auch für Anwendungen auf der Erde hochinteressant.

Seitdem schreitet die Entwicklung rasant voran. Weltweit gibt es Förderprogramme zur weiteren Verbreitung und weitreichende Forschungs- und Entwicklungsprogramme.