Lichtquanten
Lichtquanten
Aus der Sonne hinein in die Solarzelle: Energie!
Schematisierte Darstellung - Lichtquanten unterschiedlicher Wellenlängen
Die moderne Physik schreibt dem Sonnenlicht zugleich die Eigenschaften von Wellen und von Teilchen zu. Das heißt: Das Licht breitet seine Energie im Raum nicht kontinuierlich, sondern in Wellen aus. Die Bewegung entspricht der von Wellen. Die Energie selbst hingegen ist in masselose Energiepakete gebündelt – den Lichtquanten oder Photonen. In der Photovoltaik sind die Photonen des Sonnenlichts, bildlich gesprochen, die Briketts, aus welchen die Solarzelle elektrischen Strom gewinnt - in Deutschland pro Jahr zwischen 800 und 1.000 kWh/m².
Lichtquanten als Wellen – Solarenergie als Spektrum
Spektrum des Sonnenlichts - © Wikipedia
Aber das ist natürlich nur ein Bild. Ursprung der in der Photovoltaik genutzten Solarenergie ist das gigantische Fusions-Kraftwerk im Sonnenkern. In ihm werden unter enormen Druck und bei rund 15 Millionen Grad jeweils vier Wasserstoffatome zu einem Heliumatom verschmolzen. Die frei werdende Wärme gibt die Sonne ab als eine in Lichtquanten gebündelte elektromagnetische Strahlung. Landläufig kennen wir diese thermische Strahlung als Sonnenlicht. Für den Physiker ist sie hingegen eine ganz bestimmte Melange aus verschiedenen Wellenlängen - mithin eine elektromagnetische Strahlung mit einem unverwechselbaren Spektrum. Die Bandbreite reicht von hochenergetischer Röntgenstrahlung bis hin zu sanften Radiowellen - von Wellen mit wenigen Zehntel Nanometern (Abk. nm, 1 Milliardstel Meter) bis hin zu mehreren Metern Länge.Wie kommt das Licht zu diesem unverwechselbaren Spektrum? Es wird definiert durch die Temperatur der Sonnenoberfläche. In welchem Spektrum ein Körper - jedes Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von -272,15°C - seine Wärme abstrahlt, hängt nämlich von seiner Oberflächentemperatur ab (planksches Strahlungsgesetz). Die an der Oberfläche rund 5.500°C heiße Sonne weist deshalb ein anderes Spektrum auf als die Erde mit ihrer durchschnittlichen Temperatur von rund 15°C. Beim Sonnenlicht türmt sich das Gros der Energie - rund die Hälfte – im Bereich des sichtbaren Lichts auf, also zwischen 380 nm (violett) und 780 nm (rot). Die von der Erde abgestrahlte Wärme fällt indessen in den Infrarotbereich jenseits der 780 Nanometer: fürs menschliche Auge ist sie deshalb unsichtbar.
Lichtquanten, Wellenlänge und Energie
Lichtquanten & Wellenlänge Zu jeder Wellenlänge des Sonnenenergiespektrums gehören Lichtquanten mit einer spezifischen Energie. Diesen unmittelbaren Zusammenhang von Wellenlänge und Energie drückt folgende Formel aus:E = h × c / λ
E ... Energie des Lichtquants, c ... Lichtgeschwindigkeit (2.998 × 108 m/s), h ... planksches Wirkungsquantum (eine Naturkonstante = 6,626 × 10-34 Js), λ ... die Wellenlänge.
Daraus ergibt sich z.B., dass ein "violettes" Lichtquant mit einer Wellenlänge von 380 nm eine Energie von rund 3,3 eV transportiert – wobei ein eV der winzigen Energiemenge von 1,602 × 10-19 Joule entspricht. Ein "grünes" Photon hat hingegen eine Energie von 2,4 eV und ein "rotes" von 1,6 eV.
Diese Zahlen bestätigen, was in der Formel oben audgedrückt ist:
- Je größer die Wellenlänge (die in der Formel im Nenner steht), desto geringer die Energie der Lichtquanten.
Aus der Sonne hinein in die Solarzelle: Energie!
Schematisierte Darstellung - Lichtquanten unterschiedlicher Wellenlängen
Die moderne Physik schreibt dem Sonnenlicht zugleich die Eigenschaften von Wellen und von Teilchen zu. Das heißt: Das Licht breitet seine Energie im Raum nicht kontinuierlich, sondern in Wellen aus. Die Bewegung entspricht der von Wellen. Die Energie selbst hingegen ist in masselose Energiepakete gebündelt – den Lichtquanten oder Photonen. In der Photovoltaik sind die Photonen des Sonnenlichts, bildlich gesprochen, die Briketts, aus welchen die Solarzelle elektrischen Strom gewinnt - in Deutschland pro Jahr zwischen 800 und 1.000 kWh/m².
Lichtquanten als Wellen – Solarenergie als Spektrum
Spektrum des Sonnenlichts - © Wikipedia
Aber das ist natürlich nur ein Bild. Ursprung der in der Photovoltaik genutzten Solarenergie ist das gigantische Fusions-Kraftwerk im Sonnenkern. In ihm werden unter enormen Druck und bei rund 15 Millionen Grad jeweils vier Wasserstoffatome zu einem Heliumatom verschmolzen. Die frei werdende Wärme gibt die Sonne ab als eine in Lichtquanten gebündelte elektromagnetische Strahlung. Landläufig kennen wir diese thermische Strahlung als Sonnenlicht. Für den Physiker ist sie hingegen eine ganz bestimmte Melange aus verschiedenen Wellenlängen - mithin eine elektromagnetische Strahlung mit einem unverwechselbaren Spektrum. Die Bandbreite reicht von hochenergetischer Röntgenstrahlung bis hin zu sanften Radiowellen - von Wellen mit wenigen Zehntel Nanometern (Abk. nm, 1 Milliardstel Meter) bis hin zu mehreren Metern Länge.Wie kommt das Licht zu diesem unverwechselbaren Spektrum? Es wird definiert durch die Temperatur der Sonnenoberfläche. In welchem Spektrum ein Körper - jedes Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von -272,15°C - seine Wärme abstrahlt, hängt nämlich von seiner Oberflächentemperatur ab (planksches Strahlungsgesetz). Die an der Oberfläche rund 5.500°C heiße Sonne weist deshalb ein anderes Spektrum auf als die Erde mit ihrer durchschnittlichen Temperatur von rund 15°C. Beim Sonnenlicht türmt sich das Gros der Energie - rund die Hälfte – im Bereich des sichtbaren Lichts auf, also zwischen 380 nm (violett) und 780 nm (rot). Die von der Erde abgestrahlte Wärme fällt indessen in den Infrarotbereich jenseits der 780 Nanometer: fürs menschliche Auge ist sie deshalb unsichtbar.
Lichtquanten, Wellenlänge und Energie
Lichtquanten & Wellenlänge Zu jeder Wellenlänge des Sonnenenergiespektrums gehören Lichtquanten mit einer spezifischen Energie. Diesen unmittelbaren Zusammenhang von Wellenlänge und Energie drückt folgende Formel aus:E = h × c / λ
E ... Energie des Lichtquants, c ... Lichtgeschwindigkeit (2.998 × 108 m/s), h ... planksches Wirkungsquantum (eine Naturkonstante = 6,626 × 10-34 Js), λ ... die Wellenlänge.
Daraus ergibt sich z.B., dass ein "violettes" Lichtquant mit einer Wellenlänge von 380 nm eine Energie von rund 3,3 eV transportiert – wobei ein eV der winzigen Energiemenge von 1,602 × 10-19 Joule entspricht. Ein "grünes" Photon hat hingegen eine Energie von 2,4 eV und ein "rotes" von 1,6 eV.
Diese Zahlen bestätigen, was in der Formel oben audgedrückt ist:
- Je größer die Wellenlänge (die in der Formel im Nenner steht), desto geringer die Energie der Lichtquanten.
Aus der Sonne hinein in die Solarzelle: Energie!
Schematisierte Darstellung - Lichtquanten unterschiedlicher Wellenlängen
Die moderne Physik schreibt dem Sonnenlicht zugleich die Eigenschaften von Wellen und von Teilchen zu. Das heißt: Das Licht breitet seine Energie im Raum nicht kontinuierlich, sondern in Wellen aus. Die Bewegung entspricht der von Wellen. Die Energie selbst hingegen ist in masselose Energiepakete gebündelt – den Lichtquanten oder Photonen. In der Photovoltaik sind die Photonen des Sonnenlichts, bildlich gesprochen, die Briketts, aus welchen die Solarzelle elektrischen Strom gewinnt - in Deutschland pro Jahr zwischen 800 und 1.000 kWh/m².
Lichtquanten als Wellen – Solarenergie als Spektrum
Spektrum des Sonnenlichts - © Wikipedia
Aber das ist natürlich nur ein Bild. Ursprung der in der Photovoltaik genutzten Solarenergie ist das gigantische Fusions-Kraftwerk im Sonnenkern. In ihm werden unter enormen Druck und bei rund 15 Millionen Grad jeweils vier Wasserstoffatome zu einem Heliumatom verschmolzen. Die frei werdende Wärme gibt die Sonne ab als eine in Lichtquanten gebündelte elektromagnetische Strahlung. Landläufig kennen wir diese thermische Strahlung als Sonnenlicht. Für den Physiker ist sie hingegen eine ganz bestimmte Melange aus verschiedenen Wellenlängen - mithin eine elektromagnetische Strahlung mit einem unverwechselbaren Spektrum. Die Bandbreite reicht von hochenergetischer Röntgenstrahlung bis hin zu sanften Radiowellen - von Wellen mit wenigen Zehntel Nanometern (Abk. nm, 1 Milliardstel Meter) bis hin zu mehreren Metern Länge.Wie kommt das Licht zu diesem unverwechselbaren Spektrum? Es wird definiert durch die Temperatur der Sonnenoberfläche. In welchem Spektrum ein Körper - jedes Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von -272,15°C - seine Wärme abstrahlt, hängt nämlich von seiner Oberflächentemperatur ab (planksches Strahlungsgesetz). Die an der Oberfläche rund 5.500°C heiße Sonne weist deshalb ein anderes Spektrum auf als die Erde mit ihrer durchschnittlichen Temperatur von rund 15°C. Beim Sonnenlicht türmt sich das Gros der Energie - rund die Hälfte – im Bereich des sichtbaren Lichts auf, also zwischen 380 nm (violett) und 780 nm (rot). Die von der Erde abgestrahlte Wärme fällt indessen in den Infrarotbereich jenseits der 780 Nanometer: fürs menschliche Auge ist sie deshalb unsichtbar.
Lichtquanten, Wellenlänge und Energie
Lichtquanten & Wellenlänge Zu jeder Wellenlänge des Sonnenenergiespektrums gehören Lichtquanten mit einer spezifischen Energie. Diesen unmittelbaren Zusammenhang von Wellenlänge und Energie drückt folgende Formel aus:E = h × c / λ
E ... Energie des Lichtquants, c ... Lichtgeschwindigkeit (2.998 × 108 m/s), h ... planksches Wirkungsquantum (eine Naturkonstante = 6,626 × 10-34 Js), λ ... die Wellenlänge.
Daraus ergibt sich z.B., dass ein "violettes" Lichtquant mit einer Wellenlänge von 380 nm eine Energie von rund 3,3 eV transportiert – wobei ein eV der winzigen Energiemenge von 1,602 × 10-19 Joule entspricht. Ein "grünes" Photon hat hingegen eine Energie von 2,4 eV und ein "rotes" von 1,6 eV.
Diese Zahlen bestätigen, was in der Formel oben audgedrückt ist:
- Je größer die Wellenlänge (die in der Formel im Nenner steht), desto geringer die Energie der Lichtquanten.
Photonen als Teilchen - erst sie machen Photovoltaik möglich
Die Grundvoraussetzung für die Nutzung der Sonnenenergie in der Photovoltaik sind die Teilchen-Eigenschaften der Lichtquanten. Denn nur als Teilchen gedacht können Photonen mit der Materie wechselwirken. Lichtquanten in der Atmosphäre Zu solchen Wechselwirkungen kommt es z.B., wenn sich das Licht seinen Weg durch die Atmosphäre bahnt. Die Lichtquanten kommen hier mit verschiedenen Gasmolekülen (Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserdampf, etc.) und Staubteilchen in Berührung. An diesen werden die Photonen gestreut, von ihnen zurückgestrahlt (reflektiert) oder verschluckt (absorbiert). Aufgrund dieser Wechselwirkungen teilt sich das Sonnenlicht in der Atmosphäre in eine direkte (von den obigen Teilchen unberührte) und eine diffuse Strahlung. Und ihretwegen verliert die Sonnenenergie auf dem Weg zur Erdoberfläche auch Energie. Je länger der in der astronomischen Einheit Air Mass (AM) gemessene Weg des Lichts ist, umso größer ist der Energieverlust. Auf einer längeren Wegstrecke ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass Lichtquanten mit anderen Partikeln wechselwirken.Lichtquanten und die Solarzelle
Zum Vergrößern Grafik bitte anklicken Technische Darstellung des Funktionsprinzips einer Solarzelle - © Agentur für EE
Die Energie der auf der Erdoberfläche ankommenden Lichtquanten ist dennoch beträchtlich. In Deutschland stehen pro Quadratmeter jährlich 950 und 1.250 kWh zur Verfügung - und es lohnt sich, diese Energie mit Hilfe von Solarzellen in elektrischen Strom umzuwandeln. Um die in Photonen gebündelte Sonnenenergie nutzen zu können, müssen die Solarzellen aus einem Material bestehen, das sensibel auf Sonnenlicht reagiert:- Es muss mit Lichtquanten wechselwirken und
- diese Wechselwirkung muss die elektrische Leitfähigkeit des Materials erhöhen.
Erfahren Sie hier, wie der innere Photoeffekt und die Solarzelle im Einzelnen funktionieren.
Photonenenergie – eine Limit für den Wirkungsgrad
Nicht alle Lichtquanten haben allerdings genug Energie, um ein Elektron aus dem Kristallgitter zu schlagen. Dem Wirkungsgrad einer Solarzelle sind so je nach Zellentyp und verwendetem Halbleiter theoretische Grenzen gesetzt. Bei einfachen Wafer-Solarzellen liegt der theoretische Wirkungsgrad bei etwa 30%. Durch die Bündelung des Lichts und die Kombination von mehreren Halbleitermaterialien kann diese Grenze überschritten werden. Schon heute sind im Labor Wirkungsgrade von über 40% möglich (externe Links öffnen sich in neuem Fenster). Durch die Wahl des Materials lässt sich überdies beeinflussen, welche Photonen von den Solarzellen absorbiert werden. Silizium, das Material kristalliner Solarzellen, kann Lichtquanten im Spektrum von 400 bis 1.100 nm nutzen. Cadmium-Tellurid und Galliumarsenid - typische Materialien von Dünnschichtsolarzellen - absorbieren hingegen vor allem Photonen zwischen 500 und 850 bzw. 500 bis 1.000 nm.
Photonen als Teilchen - erst sie machen Photovoltaik möglich
Die Grundvoraussetzung für die Nutzung der Sonnenenergie in der Photovoltaik sind die Teilchen-Eigenschaften der Lichtquanten. Denn nur als Teilchen gedacht können Photonen mit der Materie wechselwirken. Lichtquanten in der Atmosphäre Zu solchen Wechselwirkungen kommt es z.B., wenn sich das Licht seinen Weg durch die Atmosphäre bahnt. Die Lichtquanten kommen hier mit verschiedenen Gasmolekülen (Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserdampf, etc.) und Staubteilchen in Berührung. An diesen werden die Photonen gestreut, von ihnen zurückgestrahlt (reflektiert) oder verschluckt (absorbiert). Aufgrund dieser Wechselwirkungen teilt sich das Sonnenlicht in der Atmosphäre in eine direkte (von den obigen Teilchen unberührte) und eine diffuse Strahlung. Und ihretwegen verliert die Sonnenenergie auf dem Weg zur Erdoberfläche auch Energie. Je länger der in der astronomischen Einheit Air Mass (AM) gemessene Weg des Lichts ist, umso größer ist der Energieverlust. Auf einer längeren Wegstrecke ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass Lichtquanten mit anderen Partikeln wechselwirken.Lichtquanten und die Solarzelle
Zum Vergrößern Grafik bitte anklicken Technische Darstellung des Funktionsprinzips einer Solarzelle - © Agentur für EE
Die Energie der auf der Erdoberfläche ankommenden Lichtquanten ist dennoch beträchtlich. In Deutschland stehen pro Quadratmeter jährlich 950 und 1.250 kWh zur Verfügung - und es lohnt sich, diese Energie mit Hilfe von Solarzellen in elektrischen Strom umzuwandeln. Um die in Photonen gebündelte Sonnenenergie nutzen zu können, müssen die Solarzellen aus einem Material bestehen, das sensibel auf Sonnenlicht reagiert:- Es muss mit Lichtquanten wechselwirken und
- diese Wechselwirkung muss die elektrische Leitfähigkeit des Materials erhöhen.
Erfahren Sie hier, wie der innere Photoeffekt und die Solarzelle im Einzelnen funktionieren.
Photonenenergie – eine Limit für den Wirkungsgrad
Nicht alle Lichtquanten haben allerdings genug Energie, um ein Elektron aus dem Kristallgitter zu schlagen. Dem Wirkungsgrad einer Solarzelle sind so je nach Zellentyp und verwendetem Halbleiter theoretische Grenzen gesetzt. Bei einfachen Wafer-Solarzellen liegt der theoretische Wirkungsgrad bei etwa 30%. Durch die Bündelung des Lichts und die Kombination von mehreren Halbleitermaterialien kann diese Grenze überschritten werden. Schon heute sind im Labor Wirkungsgrade von über 40% möglich (externe Links öffnen sich in neuem Fenster). Durch die Wahl des Materials lässt sich überdies beeinflussen, welche Photonen von den Solarzellen absorbiert werden. Silizium, das Material kristalliner Solarzellen, kann Lichtquanten im Spektrum von 400 bis 1.100 nm nutzen. Cadmium-Tellurid und Galliumarsenid - typische Materialien von Dünnschichtsolarzellen - absorbieren hingegen vor allem Photonen zwischen 500 und 850 bzw. 500 bis 1.000 nm.
Photonen als Teilchen - erst sie machen Photovoltaik möglich
Die Grundvoraussetzung für die Nutzung der Sonnenenergie in der Photovoltaik sind die Teilchen-Eigenschaften der Lichtquanten. Denn nur als Teilchen gedacht können Photonen mit der Materie wechselwirken. Lichtquanten in der Atmosphäre Zu solchen Wechselwirkungen kommt es z.B., wenn sich das Licht seinen Weg durch die Atmosphäre bahnt. Die Lichtquanten kommen hier mit verschiedenen Gasmolekülen (Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserdampf, etc.) und Staubteilchen in Berührung. An diesen werden die Photonen gestreut, von ihnen zurückgestrahlt (reflektiert) oder verschluckt (absorbiert). Aufgrund dieser Wechselwirkungen teilt sich das Sonnenlicht in der Atmosphäre in eine direkte (von den obigen Teilchen unberührte) und eine diffuse Strahlung. Und ihretwegen verliert die Sonnenenergie auf dem Weg zur Erdoberfläche auch Energie. Je länger der in der astronomischen Einheit Air Mass (AM) gemessene Weg des Lichts ist, umso größer ist der Energieverlust. Auf einer längeren Wegstrecke ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass Lichtquanten mit anderen Partikeln wechselwirken.Lichtquanten und die Solarzelle
Zum Vergrößern Grafik bitte anklicken Technische Darstellung des Funktionsprinzips einer Solarzelle - © Agentur für EE
Die Energie der auf der Erdoberfläche ankommenden Lichtquanten ist dennoch beträchtlich. In Deutschland stehen pro Quadratmeter jährlich 950 und 1.250 kWh zur Verfügung - und es lohnt sich, diese Energie mit Hilfe von Solarzellen in elektrischen Strom umzuwandeln. Um die in Photonen gebündelte Sonnenenergie nutzen zu können, müssen die Solarzellen aus einem Material bestehen, das sensibel auf Sonnenlicht reagiert:- Es muss mit Lichtquanten wechselwirken und
- diese Wechselwirkung muss die elektrische Leitfähigkeit des Materials erhöhen.
Erfahren Sie hier, wie der innere Photoeffekt und die Solarzelle im Einzelnen funktionieren.
Photonenenergie – eine Limit für den Wirkungsgrad
Nicht alle Lichtquanten haben allerdings genug Energie, um ein Elektron aus dem Kristallgitter zu schlagen. Dem Wirkungsgrad einer Solarzelle sind so je nach Zellentyp und verwendetem Halbleiter theoretische Grenzen gesetzt. Bei einfachen Wafer-Solarzellen liegt der theoretische Wirkungsgrad bei etwa 30%. Durch die Bündelung des Lichts und die Kombination von mehreren Halbleitermaterialien kann diese Grenze überschritten werden. Schon heute sind im Labor Wirkungsgrade von über 40% möglich (externe Links öffnen sich in neuem Fenster). Durch die Wahl des Materials lässt sich überdies beeinflussen, welche Photonen von den Solarzellen absorbiert werden. Silizium, das Material kristalliner Solarzellen, kann Lichtquanten im Spektrum von 400 bis 1.100 nm nutzen. Cadmium-Tellurid und Galliumarsenid - typische Materialien von Dünnschichtsolarzellen - absorbieren hingegen vor allem Photonen zwischen 500 und 850 bzw. 500 bis 1.000 nm.