Photoelektrische Nutzung

Photoelektrische Nutzung der Sonnenenergie (Photovoltaik)

Das Prinzip der Photozelle beruht darauf, daß bestimmte Materialien bei der Aufnahme von Licht Elektronen freisetzen, welche sich bei einem Spannungsgefälle in gleicher Richtung bewegen und dadurch einen Gleichstrom erzeugen. Der Strom von Lichtteilchen (Photonen) geht auf die Zelle nieder, die mit einer Antireflexschicht überzogen ist, damit möglichst wenige Teilchen zurückgespiegelt werden.

Fotovoltaig, Photovoltaig und Voltaik

Die Mehrzahl der Photonen geben ihre Energie an die Atome der Siliziumscheibe ab, wobei Elektronen freigeschlagen werden. Dadurch entsteht in der Atomhülle jeweils ein Loch, das wiederum von einem freien Elektron ausgefüllt wird. Die obere der beiden Zellenschichten ist z.B. durch Zusatz von Phosphor-Atomen negativ dotiert, wodurch die Silizium-Schicht einen Überschuß an Elektronen erhält. Die untere Schicht ist z.B. durch Bor-Atome positiv dotiert und hat dadurch einen Überschuß an Löchern. Zwischen den Schichten baut sich somit ein Spannungsfeld auf, das die Richtung der Elektronen definiert. Über ein Metallgitter an der Sonnenseite werden die Elektronen dann als elektrischer Strom abgenommen – und kehren zu einer dünnen Metallschicht an der Schattenseite, d.h. zu dem Plus-Pol zurück.

Von der Strahlungsleistung der Sonne ist besonders der Bereich 400 bis 750 µm (entsprechend einer Energie der Photonen von 3,5 bis 1,8 eV) für die Bildung von Elektronen im angeregten Zustand mit anschließendem Elektronen- oder Energietransfer nutzbar. Und während amorphes Silizium das kurzwellige grüne und blaue Licht des Sonnenspektrums in elektrische Energie umsetzt, eignet sich mikrokristallines Silizium besonders für die Umsetzung des langwelligen roten und infraroten Anteils.

Für eine lange Zeit fanden Photozellen lediglich in Belichtungsmessern Anwendung, doch 1954 erkennen die amerikanischen Wissenschaftler Chaplin, Fuller und Pearson (s.o.), daß für diesen Prozess Silizium besonders gut geeignet ist – und stellen die erste Solarzelle her. Damit beginnt das bereits 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckte photoelektrische Prinzip in der Energieversorgung eine neue Rolle zu spielen – anfänglich, also ab 1958, besonders in der Satellitentechnik, da der Strom damit erstmals auch vor Ort erzeugbar ist.

Über einen beträchtlichen Teil der damaligen Entwicklung habe ich im Einzelnen schon im geschichtlichen Rückblick weiter oben gesprochen, hier folgen nun die weiteren Fortschritte der photovoltaischen Nutzung und ihrer Anwendungsformen ab Anfang der 1970er Jahren und bis heute.