Wie funktioniert Photovoltaik?

Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung des Sonnenlichts in elektrischen Strom mit Hilfe von Solarzellen. Direkte Umwandlung heißt, dass das Sonnenlicht unter direkter Ausnutzung des physikalischen Photoeffektes, und nicht durch z.B. Erwärmen von Dampf mit nachgeschalteter Dampfturbine und Generator in Strom umgewandelt wird.

Jede Solarzelle weist vier Schichten auf, von denen nur die positiv- bzw. negativ- leitenden Schichten aus einem Halbleiter, zum Beispiel Silizium, bestehen. Diese werden auch abgekürzt p-(positiv) Schicht und n-(negativ)Schicht genannt. Durch die gezielte Einbringung kleiner Mengen von Fremdatomen aus anderen chemischen Hauptgruppen (Dotierstoffe), kann der Halbleiter p (positiv)- oder n (negativ)-leitend gemacht werden. Dotierstoffe für Silizium sind z.B. Bor (positiv) und Phosphor (negativ).

Beim photoelektrischen Effekt wird in dem dotierten Halbleiter durch die Absorption von Licht (Photonen) eine elektrische Spannung (Volt) aufgebaut. Das Prinzip beruht darauf, dass Elektronen (negativ geladen) durch den Lichteinfall und die damit verbundene Energie von ihren Atomen getrennt werden und sich nun im ganzen Festkörper frei bewegen können. Gleichzeitig entstehen dabei positiv geladene „Löcher“, die ebenfalls frei beweglich sind. Eine Solarzelle muss die beiden Ladungen so effektiv und schnell wie möglich voneinander trennen. Dies geschieht durch den pn-Übergang an der Grenzfläche zwischen der p- und der n-leitenden Schicht.

Elektronen, die in die Nähe des pn-Übergangs kommen, fließen auf die n-Seite und Löcher auf die p-Seite ab. Dadurch erfolgt eine effektive Ladungstrennung. Die Elektronen fließen dann zum Rückseitenkontakt, die Löcher zum Vorderseitenkontakt der Solarzelle. Von da an wird der Strom über Kabel zum Verbraucher weitergeleitet.