Die Funktionsweise einer Solarzelle - einfach erklärt

Der Photoeffekt erklärt die Grundlagen

• Wenn Sonnenstrahlen eine Solarzelle erreichen, entsteht elektrischer Strom. Für die Funktionsweise einer solchen Zelle spielt der Photoeffekt eine ganz besondere Rolle, den der Physiker Alexandre Becquerel schon 1839 entdeckt hat.
• Allerdings konnte erst Albert Einstein in einer seiner berühmten Veröffentlichungen aus dem Jahr 1905 diesen interessanten Effekt deuten (Nobelpreis dafür). 
• Beim Photoeffekt löst Licht Elektronen aus Metalloberflächen. Der Photoeffekt kann nur damit erklärt werden, dass Licht in kleinen Energiepaketen, den sogenannten Lichtquanten oder Photonen, ausgestrahlt wird (übrigens ein Gegensatz zum Wellenmodell, was hier jedoch nicht weiter erläutert werden soll).
• Die Energie dieser Lichtquanten ist über das bereits von Max Planck eingeführte Wirkungsquantum h mit der Frequenz f verbunden: E = h x f. Langwellige rote Photonen sind dementsprechend energiearm, kurzwellige blaue Photonen wie auch die Photonen der UV-Strahlung sind energiereich.

Blau schimmernde Solarzelle - die Funktionsweise einfach erklärt

• Seit der Erfindung der Solarzelle aus Silizium 1954 in den Laboratorien der Firma Bell hat sich die direkte Umwandlung von Sonnenlicht mittels (innerem) Photoeffekt in elektrische Energie (Photovoltaik; griech: photos für Licht) zu einer stabilen und verlässlichen Technologie entwickelt.

• Solarzellen sollten zunächst die ehrgeizigen Projekte der Raumfahrt mit Strom zu versorgen; 1958 konnten erstmals Solarzellen auf einem Satelliten getestet werden. Diese dienten als Ladestation der Akkus und nicht zur direkten Stromversorgung. Mit einem Wirkungsgrad von etwas mehr als 10 % arbeiteten die Zellen besser als erwartet und waren ein grandioser Erfolg.

So funktioniert eine Solarzelle

Doch nun soll die Funktionsweise dieser Solarzellen (vereinfacht) erklärt werden:

• Das Solarmodul aus Silizium wird oben und unten von einem Metallgitter eingerahmt. Oben ist die negative Elektrode, unten die positive.
• Silizium ist ein Halbmetall, das heißt, die elektrischen Eigenschaften lassen sich mit dem Einbringen von Atomen eines anderen Elements in gewissen Grenzen steuern, was erst die Funktionsweise als Solarzelle ermöglicht. 
• So besteht die Siliziumplatte der eigentlichen Solarzelle aus zwei Schichten. Diese Schichten entstehen, indem sie mit Fremdatomen - meist Phosphor oder Bor - ganz gezielt verunreinigt werden. In der Fachsprache heißt dies "Dotieren".
• Dadurch wird die mit Phosphor dotierte Teilschicht negativ leitend, die mit Bor dotierte Schicht positiv leitend. Zwischen den beiden Schichten baut sich eine sogenannte Grenzschicht auf, der eigentliche Ort der Stromerzeugung.
• Trifft nämlich ein Lichtquant oder Photon auf Atome dieser Grenzschicht, so werden dort Elektronen aus einem Atom befreit, die sich zur Elektrode bewegen. Zurück bleiben "Löcher", die positiv geladen sind. So entsteht an der Grenzschicht eine elektrische Spannung.
• Schließt man nun einen elektrischen Verbraucher wie zum Beispiel eine Lampe zwischen die beiden Elektroden, so gleichen sich die getrennten Ladungen (Elektron und positives Loch) wieder aus. Es fließt Strom und die Lampe brennt - vereinfacht erklärt.