Wie wird Photovoltaik-Energie erzeugt?
14. 8. 2025
Die Umstellung von nicht erneuerbaren auf erneuerbare Energiequellen gewinnt angesichts der Auswirkungen der globalen Erwärmung und des Klimawandels zunehmend an Bedeutung.
Von allen Technologien, die erneuerbare Energiequellen nutzen, ist die Photovoltaik, vielen Menschen als Solarenergie bekannt, die zur Stromerzeugung lediglich Sonnenstrahlen benötigt, am weitesten verbreitet. Sie ist hinsichtlich Installation und Betrieb eine der einfachsten und kostengünstigsten Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen.
Im Allgemeinen funktioniert dieser Mechanismus so, dass Sonnenlicht durch einen Halbleiter-p-n-Übergang, der die Grundlage dieser Technologien bildet, in Strom umgewandelt wird. Ein Halbleiter ist ein Material, dessen Leitfähigkeit zwischen der eines hochleitfähigen Metalls und der eines Isolators liegt – er ist sozusagen ein Mittelwert.
Eine der wichtigsten Eigenschaften von Halbleitermaterialien, die auch für Halbleiterübergänge gilt, ist jedoch, dass die Zufuhr von Energie ihren Zustand von isolierend zu leitend verändern kann – es handelt sich um eine Art periodische Leitfähigkeit – und genau diese Zustandsänderung ist für die meisten Technologien von Vorteil, da sie eine Anpassung der Leitfähigkeit an bestimmte Szenarien ermöglicht.
Während viele Halbleiter ihre elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften unter dem Einfluss von Wärme (thermischer Energie) verändern, verändert ein Halbleiterübergang in einer Photovoltaikzelle seine Leitfähigkeit, wenn er mit Photonen der Sonnenstrahlung bestrahlt wird.
Obwohl es heute viele verschiedene Arten von Photovoltaikzellen gibt – beispielsweise organische Solarzellen, farbstoffsensible Solarzellen und Solarzellen mit Quantenpunkten –, die leicht unterschiedliche Funktionsweisen aufweisen, konzentrieren wir uns auf herkömmliche anorganische Solarzellen, da diese kommerziell am weitesten verbreitet sind.
Grundlegende Funktionsprinzipien von Photovoltaikzellen
Solarzellen (anorganisch) bestehen in der Regel aus dotierten Siliziummaterialien (mittlerweile können auch Nanomaterialien verwendet werden), wobei Übergänge durch die Anordnung von p-Silizium und n-Silizium nebeneinander entstehen. Zur Information: Dotierte Materialien vom p-Typ haben Atome, die im Atomgitter ein zusätzliches Elektron enthalten, während dotierte Materialien vom n-Typ Atome haben, denen ein Elektron fehlt. Dies führt zur Bildung von überschüssigen Elektronen bei Materialien vom n-Typ und von Löchern bei Materialien vom p-Typ.
Beide Ladungsträger sind am Mechanismus der Energieumwandlung beteiligt. Es ist zu beachten, dass nur bestimmte Materialien zur Herstellung von Verbindungen in einer Photovoltaikzelle verwendet werden können, da die Materialien in der Lage sein müssen, dem photoelektrischen Effekt zu unterliegen, d. h. in Gegenwart von Licht Spannung zu erzeugen.
Wenn diese beiden dotierten Siliziummaterialien nebeneinander angeordnet werden, entsteht eine Halbleiterverbindung. Auf der einen Seite dieser Verbindung befindet sich eine große Anzahl von Löchern und auf der anderen Seite eine große Anzahl von Elektronen. Zwischen diesen beiden Ladungsträgerbereichen befindet sich ein elektrisch neutraler Bereich, der als Verarmungszone bezeichnet wird und als Schnittstelle zwischen den beiden Ladungsträgerbereichen fungiert. Die Leerzone entsteht, wenn kein Sonnenlicht auf die Photovoltaikzelle fällt.
Die Leerzone entsteht durch die Wechselwirkung und Verbindung einiger Elektronen und Löcher. Beide Ladungsträger verbinden sich und bilden neutrale Teilchen, die die anderen Ladungsträger voneinander trennen.
Neben der Trennung der geladenen Teilchen erzeugt die neutrale Zone auch ein inneres elektrisches Feld innerhalb der Solarzelle, das eine vollständige Verbindung der beiden Ladungsträgerbereiche verhindert. Dies ist sehr wichtig, da es bei einer vollständigen Verbindung dieser beiden Bereiche zu einem elektrisch neutralen Material kommen würde, das nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren würde. Der Grund dafür ist, dass die Wanderung dieser Ladungen unter dem Einfluss von Lichtreizen die Funktionsweise von Solarzellen und die Entstehung von photovoltaischer Energie ermöglicht, während ein elektrisch neutrales Material keinen elektrischen Strom erzeugen würde.
Entstehung von photovoltaischer Energie
Elektrischer Strom entsteht, wenn Lichtphotonen auf eine Solarzelle treffen, da die Lichtphotonen Energie an den Halbleiterübergang übertragen, der diese Energie dann an freie Ladungsträger auf beiden Seiten des Übergangs/der verarmten Zone weiterleitet. Wenn die Ladungsträger über erhöhte Energie verfügen, erhöht sich ihre Beweglichkeit so stark, dass sie in die verarmte Zone eintreten.
Wenn die Ladungsträger in die verarmte Zone eintreten, verringert sich deren Breite. Die Breite verringert sich schließlich bis zu einem Punkt, an dem das innere elektrische Feld (das aus der verarmten Zone entsteht) nicht mehr stark genug ist, um der Bewegung der Ladungsträger entgegenzuwirken. Dadurch bewegen sich die Elektronen in Richtung der Löcher, wo sie sich wieder verbinden. Dieser Prozess der Rekombination der Ladungsträger erzeugt einen konstanten elektrischen Strom, also photovoltaische Energie, die gespeichert werden kann.
Sobald der elektrische Strom erzeugt ist, bleibt er in diesem Zustand, solange Sonnenlicht auf die Verbindung fällt. Wenn sich die Ladungsträger verbinden, vergrößert sich vorübergehend die Dicke der entleerten Zone, aber dies dauert nur so lange, bis ein weiteres Photon auftrifft, das den Ladungsträgern mehr Energie zuführt. Photovoltaische Energie kann also kontinuierlich gewonnen werden, solange Sonnenlicht verfügbar ist. Die verarmte Zone kehrt erst dann in ihren natürlichen Ruhezustand/ihre natürliche Dicke zurück, wenn Sonnenlicht auf sie trifft.
Wenn kein Sonnenlicht vorhanden ist, wird die Anlage „zurückgesetzt“ und die verarmte Zone kehrt zu ihrer ursprünglichen Dicke zurück, wobei sich die Ladungsträger wieder trennen. Dieser Vorgang wiederholt sich, sobald wieder Sonnenlicht einfällt.