Was ist der photovoltaische Effekt?
Der photovoltaische Effekt ist der Prozess, durch den elektrischer Strom in Form von Spannung erzeugt wird, wenn elektromagnetische Strahlung einem bestimmten Material ausgesetzt wird. Bei Verwendung von Solarzellen tritt der photovoltaische Effekt auf, wenn sehr kurze Wellenlängen des Sonnenlichts auf die Materie einwirken und Elektronen angeregt werden. Die elektromagnetische Strahlung wird vom Solarpanel abgegeben und von einem anderen Material gesammelt. Dieser Elektronenausstoß führt zum Aufbau einer Spannung, die Energie erzeugt, die zur späteren Verwendung in einer Batteriezelle gespeichert werden kann. Zwei Elektroden sammeln die Spannung, die in das Stromnetz eingespeist werden kann.
Verschiedene Arten von elektromagnetischer Strahlung verursachen in Solarzellen aufgrund der Frequenz unterschiedliche Expositionsniveaus. Sichtbares Licht erzeugt den photovoltaischen Effekt, wenn es auf Alkalimetalle auftrifft, ultraviolettes Licht erzeugt es in anderen Metallen, wobei extrem ultraviolettes Licht für Nichtmetalle verwendet wird. Dieses Konzept wurde erstmals 1902 von Philipp Eduard Anton von Lenard beobachtet, als er entdeckte, dass verschiedene Lichtfarben, auch als Frequenz bezeichnet, unterschiedliche Elektronenspiegel emittieren. Zuvor hatte die Wellentheorie des Lichts von James Clerk Maxwell angegeben, dass die Strahlungsintensität proportionale Elektronenenergie erzeugen würde. Diese neue Theorie erklärte, dass Photonen für die Erzeugung des Elektronenausstoßes verantwortlich sind und als einzelne Teilchen und nicht als konstante Wellen wirken.
Der Physiker AE Becquerel erkannte das Konzept des photovoltaischen Sonnenlichteffekts im Jahr 1839, aber sein Verständnis war begrenzt. 1883 baute Charles Fritts die erste Solarzelle mit einem Selenhalbleiter, der mit einer dünnen Goldschicht überzogen war. Diese erste Verwendung einer Solarzelle war nur ein Prozent effizient. Erst 1954 entwickelten die Bell Laboratories eine praktische Methode zur Nutzung der Sonnenenergie.
Die Nutzung des photovoltaischen Effekts mit Solarzellen ist sehr einfach. Im Wesentlichen treffen Photonen aus dem Sonnenlicht auf das Solarpanel und werden vom Material absorbiert. Die negativ geladenen Elektronen im Material werden von den Atomen weggestoßen, wodurch Elektrizität erzeugt wird. Diese Situation wird dadurch gesteuert, dass die Elektronen sich in der Platte nur in eine Richtung bewegen können, was eine umgekehrte Aktion bewirkt, bei der positiv geladene Teilchen in die entgegengesetzte Richtung fließen. Mit diesen beiden Aktionen kann ein elektrischer Gleichstrom aus der elektromagnetischen Reaktion genutzt werden.
Der photovoltaische Effekt ist für eine Reihe von Prozessen im modernen Leben unerlässlich. Neben der Energieerzeugung für allgemeine Zwecke sind Solarzellen für Raumfahrzeuge, die von der NASA und anderen Weltraumagenturen eingesetzt werden, unverzichtbar. Die Prinzipien der Technologie werden auch in Digitalkameras in Form von ladungsgekoppelten Geräten sowie Elektroskopen verwendet, die statische Elektrizität identifizieren.