Lichtquanten

 

Lichtquanten

 
 

Aus der Sonne hinein in die Solarzelle: Energie!

Grafik: Photonen

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.

Jetzt Licht nutzen & Ihren Solarertrag berechnen




Lichtquanten als Wellen – Solarenergie als Spektrum

Verteilung der Lichtquanten der Sonne

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.

Die Energie jedes einzelnen Photons wirkt dabei unendlich weit und bleibt stets dieselbe. Mit wachsendem Abstand von der Strahlungsquelle verringert sich allerdings die Dichte der Lichtquanten – und mit ihr die auf einer bestimmten Fläche auftreffende Energie.
Durch die schiere Menge der von der Sonne abgestrahlten Photonen – in jedem Wellenlängenbereich Abermillionen – summiert sich der Energiefluss trotzdem zu beträchtlichen Energiemengen. Im Bereich des blauen Lichts beträgt die Energiedichte bspw. rund 1.500 W/m², in dem des roten ca. 770 W/m²; darüber sinkt sie rasch ab.
In der Photovoltaik, konkret in Solarzellen und PV-Modulen, werden deshalb vor allem die Photonen im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums genutzt.

Aus der Sonne hinein in die Solarzelle: Energie!

Grafik: Photonen

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.

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Lichtquanten als Wellen – Solarenergie als Spektrum

Verteilung der Lichtquanten der Sonne

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.

Die Energie jedes einzelnen Photons wirkt dabei unendlich weit und bleibt stets dieselbe. Mit wachsendem Abstand von der Strahlungsquelle verringert sich allerdings die Dichte der Lichtquanten – und mit ihr die auf einer bestimmten Fläche auftreffende Energie.
Durch die schiere Menge der von der Sonne abgestrahlten Photonen – in jedem Wellenlängenbereich Abermillionen – summiert sich der Energiefluss trotzdem zu beträchtlichen Energiemengen. Im Bereich des blauen Lichts beträgt die Energiedichte bspw. rund 1.500 W/m², in dem des roten ca. 770 W/m²; darüber sinkt sie rasch ab.
In der Photovoltaik, konkret in Solarzellen und PV-Modulen, werden deshalb vor allem die Photonen im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums genutzt.

Aus der Sonne hinein in die Solarzelle: Energie!

Grafik: Photonen

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.

Jetzt Licht nutzen & Ihren Solarertrag berechnen




Lichtquanten als Wellen – Solarenergie als Spektrum

Verteilung der Lichtquanten der Sonne

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.

Die Energie jedes einzelnen Photons wirkt dabei unendlich weit und bleibt stets dieselbe. Mit wachsendem Abstand von der Strahlungsquelle verringert sich allerdings die Dichte der Lichtquanten – und mit ihr die auf einer bestimmten Fläche auftreffende Energie.
Durch die schiere Menge der von der Sonne abgestrahlten Photonen – in jedem Wellenlängenbereich Abermillionen – summiert sich der Energiefluss trotzdem zu beträchtlichen Energiemengen. Im Bereich des blauen Lichts beträgt die Energiedichte bspw. rund 1.500 W/m², in dem des roten ca. 770 W/m²; darüber sinkt sie rasch ab.
In der Photovoltaik, konkret in Solarzellen und PV-Modulen, werden deshalb vor allem die Photonen im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums genutzt.

 

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

Grafik: Funktionsweise einer Solarstromanlage

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.

Halbleiter wie Silizium oder Galliumarsenid – haben genau diese Eigenschaften. Besonders wichtig für den Einsatz in der Photovoltaik ist, dass ihre elektrische Leitfähigkeit durch beim Einfall von Licht steigt.

Die Lichtquanten dringen dabei in das Halbleitermaterial ein. Das besteht aus einem Kristallgitter, welches von den Elektron – negativ geladenen Teilchen – der einzelnen Moleküle in Paarverbindungen zusammengehalten wird. Trifft ein Photon auf eines dieser Elektronen, kann es mit seiner Impulsenergie das Teilchen aus seiner festen Verbindung im Gitter herauslösen. Die Energie des Lichtquants geht auf das gelöste Elektron über: es wird in einen höheren Energiezustand versetzt. Auf diese Weise ist es nicht länger fest gebunden – es kann frei als Strom fließen. Der in Ampere gemessene Strom fließt umso stärker, je mehr Elektronen von Lichtquanten befreit werden.
Das Heraulösen und Befreien von Elektron durch Photonen wird als innerer Photoeffekt bezeichnet.

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.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

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

Grafik: Funktionsweise einer Solarstromanlage

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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.

Halbleiter wie Silizium oder Galliumarsenid – haben genau diese Eigenschaften. Besonders wichtig für den Einsatz in der Photovoltaik ist, dass ihre elektrische Leitfähigkeit durch beim Einfall von Licht steigt.

Die Lichtquanten dringen dabei in das Halbleitermaterial ein. Das besteht aus einem Kristallgitter, welches von den Elektron – negativ geladenen Teilchen – der einzelnen Moleküle in Paarverbindungen zusammengehalten wird. Trifft ein Photon auf eines dieser Elektronen, kann es mit seiner Impulsenergie das Teilchen aus seiner festen Verbindung im Gitter herauslösen. Die Energie des Lichtquants geht auf das gelöste Elektron über: es wird in einen höheren Energiezustand versetzt. Auf diese Weise ist es nicht länger fest gebunden – es kann frei als Strom fließen. Der in Ampere gemessene Strom fließt umso stärker, je mehr Elektronen von Lichtquanten befreit werden.
Das Heraulösen und Befreien von Elektron durch Photonen wird als innerer Photoeffekt bezeichnet.

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.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

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

Grafik: Funktionsweise einer Solarstromanlage

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.

Halbleiter wie Silizium oder Galliumarsenid – haben genau diese Eigenschaften. Besonders wichtig für den Einsatz in der Photovoltaik ist, dass ihre elektrische Leitfähigkeit durch beim Einfall von Licht steigt.

Die Lichtquanten dringen dabei in das Halbleitermaterial ein. Das besteht aus einem Kristallgitter, welches von den Elektron – negativ geladenen Teilchen – der einzelnen Moleküle in Paarverbindungen zusammengehalten wird. Trifft ein Photon auf eines dieser Elektronen, kann es mit seiner Impulsenergie das Teilchen aus seiner festen Verbindung im Gitter herauslösen. Die Energie des Lichtquants geht auf das gelöste Elektron über: es wird in einen höheren Energiezustand versetzt. Auf diese Weise ist es nicht länger fest gebunden – es kann frei als Strom fließen. Der in Ampere gemessene Strom fließt umso stärker, je mehr Elektronen von Lichtquanten befreit werden.
Das Heraulösen und Befreien von Elektron durch Photonen wird als innerer Photoeffekt bezeichnet.

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.

Solarzellen im Zusammenspiel

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