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Photovoltaik: Wie funktioniert es? Was ist der photovoltaische Effekt?

Photovoltaischer Effekt

Photovoltaik: Wie funktioniert es? Was ist der photovoltaische Effekt?

Der photovoltaischer Effekt ist ein Prozess, bei dem in einer Photovoltaikzelle Spannung oder elektrischer Strom erzeugt wird, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Dieser Effekt macht Solarmodule nützlich, da die Zellen innerhalb des Panels Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Die Entdeckung des photovoltaischen Effekts geht auf Edmond Becquerel zurück, der ihn erstmals im Jahr 1839 gemacht hat. Während seiner Experimente mit Nasszellen bemerkte er, dass die Spannung der Zelle zunahm, wenn ihre Silberplatten dem Sonnenlicht ausgesetzt waren.

Verfahren

Der photovoltaische Effekt tritt in Solarzellen auf. Diese Solarzellen bestehen aus zwei unterschiedlichen Halbleitertypen, nämlich einem p-Typ und einem n-Typ, die miteinander verbunden werden, um einen pn-Übergang zu erzeugen. Für nähere Informationen zu diesen Halbleitern und dem Übergang klicken Sie bitte hier. Durch die Verbindung dieser beiden Halbleitertypen entsteht im Bereich des Übergangs ein elektrisches Feld, da Elektronen zur positiven p-Seite und Löcher zur negativen n-Seite hin wandern. Dieses Feld bewirkt eine Bewegung von negativ geladenen Teilchen in eine Richtung und positiv geladenen Teilchen in die entgegengesetzte Richtung.

Licht besteht aus Photonen, kleinen Bündeln elektromagnetischer Strahlung oder Energie. Diese Photonen können von einer Photovoltaikzelle, dem Grundbaustein von Solarmodulen, absorbiert werden. Wenn Licht mit der richtigen Wellenlänge auf diese Zellen trifft, wird die Energie des Photons auf ein Atom des Halbleitermaterials im pn-Übergang übertragen. Diese Energieübertragung betrifft konkret die Elektronen im Material, die dadurch in einen energiereicheren Zustand, das sogenannte Leitungsband, versetzt werden.

Das führt zur Bildung eines “Lochs” im Valenzband, aus dem das Elektron ursprünglich stammte. Diese Energiezufuhr erzeugt ein Elektron-Loch-Paar. Im normalen, nicht angeregten Zustand sind die Elektronen durch Bindungen mit umliegenden Atomen im Halbleitermaterial gebunden und können sich nicht frei bewegen. Im angeregten Zustand im Leitungsband hingegen können sie sich im Material frei bewegen.

Durch das elektrische Feld, das durch den pn-Übergang erzeugt wird, bewegen sich Elektronen und Löcher in erwarteten Richtungen. Das freigesetzte Elektron neigt dazu, sich zur n-Seite zu bewegen, anstatt von der p-Seite angezogen zu werden. Diese Bewegung der Elektronen erzeugt einen elektrischen Strom in der Zelle. Dabei bleibt ein “Loch” zurück. Dieses Loch kann sich ebenfalls bewegen, jedoch in die entgegengesetzte Richtung zur p-Seite. Genau dieser Prozess ist es, der einen Strom in der Zelle erzeugt.

Photovoltaischer Effekt

Warum heißt es Photovoltaik?

Solarzellen, auch als Photovoltaikzellen bekannt, haben die bemerkenswerte Fähigkeit, Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umzuwandeln. Die Bezeichnung “Photovoltaik” (häufig abgekürzt als PV) leitet sich von dem Prozess ab, bei dem Licht, in Form von Photonen, direkt in Elektrizität in Form von Spannung umgewandelt wird. Dieser Vorgang wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet.

Welche Vorteile bietet der Photovoltaik Effekt?

Strom, der mithilfe von Solarzellen erzeugt wird, ist umweltfreundlich und geräuschlos. Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) nutzen ausschließlich Sonnenlicht als Energiequelle, wodurch sie keine schädlichen Emissionen in die Luft oder Verschmutzungen des Wassers verursachen. Sie belasten keine natürlichen Ressourcen und stellen keinerlei Gefahr für die Gesundheit von Mensch und Tier dar.

Die Installation von Photovoltaikanlagen erfolgt leise und fügt sich optisch dezent in die Umgebung ein. Selbst kleine Solaranlagen können ungenutzte Flächen auf bestehenden Gebäudedächern effizient nutzen.

Photovoltaischer Effekt

Ursprünglich wurden PV-Zellen für den Einsatz im Weltraum entwickelt, wo Reparaturen äußerst kostspielig oder sogar unmöglich sind. Bis heute treiben PV-Zellen nahezu jeden Satelliten an, der die Erde umkreist, da sie über lange Zeiträume hinweg zuverlässig und nahezu wartungsfrei arbeiten.

Solarenergie ist eine lokal verfügbare erneuerbare Energiequelle. Sie muss nicht aus anderen Regionen des Landes oder sogar der Welt importiert werden. Dies reduziert die Umweltauswirkungen, die mit dem Transport von Energie verbunden sind, und verringert unsere Abhängigkeit von importiertem Öl. Anders als fossile Brennstoffe, die abgebaut und verbraucht werden, führt die Nutzung von Solarenergie zur Stromerzeugung nicht zur Erschöpfung oder Veränderung der Ressource selbst.

Je nach individuellem Energiebedarf können PV-Anlagen in jeder gewünschten Größe errichtet werden. Darüber hinaus haben die Besitzer von PV-Anlagen die Flexibilität, ihre Anlagen zu erweitern oder zu versetzen, falls sich ihr Energiebedarf ändert. Zum Beispiel können Hausbesitzer in regelmäßigen Abständen zusätzliche Module hinzufügen, wenn ihr Energieverbrauch steigt und ihre finanziellen Mittel es ermöglichen. Landwirte können mobile Pumpsysteme mit PV-Technologie nutzen, um ihr Vieh zu tränken, während sie die Weideflächen wechseln.