In einer Welt, die sich immer mehr auf erneuerbare Energien fokussiert, sind Solarzellen zu einem wichtigen Bestandteil unserer Energieversorgung geworden. Aber wie funktionieren sie eigentlich? In diesem Artikel werden wir die Physik hinter Solarzellen erklären und verstehen, wie sie Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln.

Die Grundlagen der Solarzelle

Solarzellen sind die Bausteine von Solarpanelen und bestehen aus einem Material, das als Halbleiter bezeichnet wird. Der am häufigsten verwendete Halbleiter in Solarzellen ist Silizium. Die Funktionsweise einer Solarzelle basiert auf dem Photovoltaik-Effekt, der erstmals im Jahr 1839 von dem französischen Physiker Alexandre-Edmond Becquerel entdeckt wurde.

Schichtstruktur der Solarzelle

Eine typische Solarzelle besteht aus mehreren Schichten, die sorgfältig angeordnet sind, um den Photovoltaik-Effekt zu maximieren. Diese Schichten umfassen:

  1. Die Absorberschicht: Diese Schicht besteht aus Siliziumatomen, die so angeordnet sind, dass sie Photonen (Lichtteilchen) einfangen können.
  2. Die p-n-Übergangsschicht: Direkt über der Absorberschicht befindet sich eine Grenzschicht zwischen zwei Arten von Silizium – p-Typ und n-Typ. In der p-Schicht gibt es überschüssige „Löcher“ (positive Ladungen), während die n-Schicht überschüssige Elektronen (negative Ladungen) aufweist.

Der Photovoltaik-Effekt

Die Funktionsweise einer Solarzelle beruht auf dem Photovoltaik-Effekt, der folgendermaßen abläuft:

  1. Absorption von Photonen: Wenn Sonnenlicht auf die Absorberschicht der Solarzelle trifft, werden Photonen absorbiert. Die Energie dieser Photonen kann Elektronen in der Absorberschicht anregen und sie in höhere Energiezustände versetzen.
  2. Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren: Wenn ein Photon ein Elektron in der Absorberschicht anregt, hinterlässt es ein „Loch“ in der Schicht, wo das Elektron zuvor war. Dies erzeugt ein Elektron-Loch-Paar.
  3. Trennung der Ladungen: Aufgrund der p-n-Übergangsschicht bewegen sich die erzeugten Elektron-Loch-Paare auseinander. Die Elektronen werden zur n-Seite der Übergangsschicht gezogen, während die Löcher zur p-Seite wandern.
  4. Erzeugung von elektrischem Strom: Da Elektronen zur n-Seite wandern und Löcher zur p-Seite, entsteht ein elektrisches Feld in der Solarzelle. Dieses elektrische Feld erzeugt einen elektrischen Strom, wenn ein externer Stromkreis geschlossen wird, indem Elektronen durch den Stromkreis fließen.

Die Rolle des Wechselstroms

Der erzeugte Strom ist normalerweise Gleichstrom (DC). Um ihn jedoch für den Einsatz in unseren Haushalten nutzbar zu machen, wird er in Wechselstrom (AC) umgewandelt, was in den Wechselrichtern geschieht, die in Solaranlagen integriert sind. Der erzeugte Wechselstrom kann dann in das Stromnetz eingespeist oder für den eigenen Bedarf genutzt werden.

Unabhängig von fossilen Brennstoffen

Solarzellen sind erstaunliche technologische Fortschritte, die die Kraft der Sonne nutzen, um saubere und erneuerbare Energie zu erzeugen. Durch den Photovoltaik-Effekt können sie Licht in elektrischen Strom umwandeln und tragen somit entscheidend zur Verringerung unserer Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und zur Reduzierung der Umweltauswirkungen bei. Indem wir die Grundlagen der Funktionsweise von Solarzellen verstehen, können wir besser schätzen, wie diese Technologie die Zukunft unserer Energieversorgung gestaltet. Neue Entwicklungen, wie etwa Perowskit-Solarzellen, zeigen, dass auch in der Forschung nach besserer Solartechnik noch viel Potenzial steckt.