Letzte Aktualisierung: 23.11.2020

Photoeffekt – der photoelektrische Effekt verständlich erklärt

Was ist der Photoeffekt? Für welche technischen Anwendungen spielt er eine Rolle? Wie erzeugt eine Solarzelle Strom? Warum kommt bei der Anwendung des photoelektrischen Effekts häufig Silizium zum Einsatz?
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Wer aus der Sonnenenergie Solarstrom produzieren will, macht dies mit einer Solarstrom-Anlage, auch Photovoltaik-Anlage oder kurz: PV-Anlage genannt. Diese besteht aus etlichen Solarzellen, meist zwischen 36 und 72 Stück, die zu Solarmodulen zusammengesetzt sind. Häufig kommen dabei Solarzellen aus dem Element Silizium zum Einsatz. Warum das so ist und wie der Photoeffekt in der Silizium-Solarzelle abläuft, das erklären wir in diesem Artikel leicht verständlich und nachvollziehbar.

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Physikalische Prozesse des photoelektrischen Effekts

Die Solarzelle ist das elektrische Bauteil, das Lichtenergie der auftreffenden Sonnenstrahlen, sowohl direkte (bei Sonnenschein) als auch diffuse (bei bewölktem Himmel), in elektrische Energie (Strom, Solarstrom) umwandelt. Die Umwandlung der Energie ist eine physikalische Fähigkeit der Solarzelle, die auch photoelektrischer beziehungsweise lichtelektrischer Effekt, photovoltaischer Effekt oder nur kurz Photoeffekt genannt wird. Der Begriff Photo kommt aus dem Griechischen und bedeutet Licht. Die elektrische Spannung misst man in Volt, daher der Begriff Photovoltaik (auch Fotovoltaik geschrieben).

Physikalisch unterscheidet man den Photoeffekt in drei Prozesse, die einerseits zwar miteinander verwandt sind, sich andererseits jedoch wesentlich in der Wechselwirkung von Photonen mit Materie unterscheiden. Gemeinsam ist den drei Prozessen: 

  • äußerer photoelektrischer Prozess,
  • innerer photoelektrischer Prozess
  • und Photoionisation,

dass ein Elektron (negativ geladenes Elementarteilchen) aus einer Bindung gelöst wird, indem es ein Photon (elementares Teilchen des elektromagnetischen Feldes, Quant, Lichtquant) absorbiert. Das Elektron kann entweder in einem Atom, einem Valenz- oder Leitungsband eines Festkörpers gebunden gewesen sein. Um die Bindung des Elektrons zu lösen, muss das Photon zumindest so viel Energie besitzen, wie die Bindungsenergie des Elektrons hoch ist.

  • Der äußere photoelektrische Effekt, der auch Photoemission oder Hallwachs-Effekt genannt wird, ist das Herauslösen von Elektronen aus einer Oberfläche (Halbleiter oder Metall) mittels Bestrahlung.
  • Der innere photoelektrische Effekt tritt innerhalb von Halbleitern auf. Entweder als Photoleitung, was die Erhöhung der Leitfähigkeit des Halbleiters meint, die infolge dessen eintritt, dass nicht aneinander gebundene Elektron-Loch-Paare entstehen. Oder draus resultieren als photovoltaischer Effekt, der die Umwandlung der Lichtenergie in elektrische meint.
  • Die Photoionisation schließlich meint das Ionisieren einzelner Atome / Moleküle, die infolge einer Bestrahlung mit Licht in ausreichend hoher Frequenz eintritt.

Aufbau und photoelektrische Funktionsweise von Halbleitern

Ein Großteil der aktuell verwendeten Solarzellen zur Gewinnung von Solarstrom ist aus Silizium gefertigt. Das Element Silizium ist für die Aufgabe, Lichtenergie in elektrischen Strom umzuwandeln, besonders gut geeignet. Der Grund: Silizium bringt eine elektrische Leitfähigkeit mit, die zwischen der elektrischer Leiter und Nichtleiter liegt. Eine Solarzelle aus Silizium gilt deshalb als Halbleiter.

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Bei einer herkömmlichen Solarzelle liegen zwei Plättchen aus Silizium aufeinander. Zwischen den beiden Plättchen besteht eine sogenannte Grenzschicht, die unter einwirkender Sonnenstrahlung nur von freigesetzten Ladungen durchdrungen werden kann: also von Elektronen und Löchern. Die nach außen gerichteten Flächen der Siliziumplättchen, sprich: die Vorder- und Rückseite der Solarzelle, sind mit Metallkontakten versehen. Häufig werden sie im Siebdruckverfahren über die gesamte Fläche verteilt.

Die Kontakte bestehen aus Aluminium oder Silber. Damit auf der dem Sonnenlicht ausgesetzten Vorderseite ausreichend Licht in die Solarzelle eindringen kann, sind die Metallkontakte dort in Form eines Gitters aufgebracht. Und damit von der mit den Metallkontakten bestückten Vorderseite nicht zu viel Sonnenlicht reflektiert wird, was den Ertrag mindern würde, wird noch eine Schicht aus Siliziumnitrid oder Titandioxid aufgedampft.

Eine abgewandelte Bauform besitzen sogenannte Konzentratorzellen: Dort spart man sich eine Halbleiterschicht und bündelt mittels geometrischer Optik das einfallende Licht auf einen kleineren Bereich. Das Ergebnis ist mehr Ertrag bei weniger Material, was effizienter ist. Daneben gibt es noch viele weitere Kombinationen wie z. B. Tandemzellen.

Bezogen auf die Solarstrom-Anlage und ihre Aufgabe, mit Hilfe von Solarzellen aus Silizium Sonnenlicht in Strom zu wandeln, schauen wir noch ein wenig tiefer in die Theorie des Photoeffekts:

Photoelektrischer Effekt und Photoleitung treten demnach immer in Verbindung auf. Das Siliziumatom besitzt vier Elektronen in der äußeren Schale. Damit es einen stabilen Zustand erreicht, braucht es dort jedoch acht Elektronen. Das heißt, das Atom muss sich mit anderen Atomen verbinden. Deshalb bildet Silizium ein Kristallgitter, was seine kristalline Struktur begründet. Darin verbinden sich mehrere Siliziumatome und „teilen“ sich die Zahl der Elektronen in der äußeren Schale. Normalerweise leitet Silizium nur schlecht, denn zum Leiten bräuchte es freie Elektronen. Wird allerdings Energie zugeführt, gerät das Kristallgitter in Schwingung, so dass sich Elektronen und nur Elektronen aus dem Gitter lösen – und Strom geleitet werden kann.

Donation der Siliziumplättchen zur Steigerung der Leitfähigkeit

Jedes der beiden bereits beschriebenen Silizium-Plättchen der Solarzelle ist anders dotiert. Das bedeutet, dass man fremde Atome in das Silizium eingebracht hat, sogenannte Störstellen. Fremdatome in der von Natur aus kristallinen Struktur des Siliziums können beispielsweise Bor oder Phosphor sein. Die Störstellen beeinflussen die elektrischen Eigenschaften beziehungsweise Fähigkeiten des Siliziums so, dass eine Spannung entsteht. Anders ausgedrückt: Mit Hilfe der Dotierung (auch Donation genannt) lässt sich die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters Silizium erhöhen. Physikalisch geschieht dabei Folgendes:

  • Werden als Fremdatome beispielsweise solche eingebracht, die fünf Elektronen in der äußeren Schale haben, bleibt jedem Fremdatom ein überschüssiges Elektron, das die Leitfähigkeit des Halbleiters verbessert. Ein damit „gestörtes“ Siliziumkristall nennt man n-dotiert.
  • Wird ein Fremdatom eingebracht, das nur drei Elektronen in der äußeren Schale hat, entsteht ein Loch, das auch die Leitfähigkeit erhöht. Das Kristall nennt man dann jedoch p-dotiert.

Entstehung des Photostroms in n- und p-dotierten Siliziumschichten

Damit man mittels der mit Sonnenlicht bestrahlten Halbleiterkristalle Strom gewinnen kann, müssen immer eine n-dotierte und eine p-dotierte Siliziumschicht aufeinander geschichtet werden. Die oben bereits erwähnte Grenzschicht zwischen beiden ist etwa ein Tausendstel Millimeter dünn. In ihr herrscht ein elektrisches Feld mit Plus- und Minuspol. Wegen der auftreffenden Lichtenergie der Sonne wird das Kristall angeregt, so dass sich die Elektronenbeweglichkeit verstärkt. Überzählige Elektronen der n-dotierten Schicht wandern in die Löcher der p-dotierten Schicht, um die Atome dort zu stabilisieren. Weil die Elektronen innerhalb des Silizumkristalls von einer zur anderen Schicht wandern, wird die elektrische Ladung getrennt, wobei eine elektrische Spannung (ein Strom) gegen die Durchlassrichtung des Übergangs entsteht, die man als Photostrom abgreifen kann.

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