Photovoltaik

Die Photovoltaik (PV) ist eine Methode zur Umwandlung von Licht, insbesondere Sonnenlicht, in elektrische Energie mittels sogenannter Halbleitermaterialien durch den photoelektrischen Effekt. Die Wissenschaft, die sich damit beschäftigt, heißt Photovoltaik und leitet sich ab von dem griechischen Wort für Licht (Phos) und der Einheit der elektrischen Spannung (Volt).

Grundlagen der Photovoltaik

Die Grundlage der Photovoltaik ist der photoelektrische Effekt, der erstmals von Albert Einstein erklärt wurde und ihm 1921 den Nobelpreis für Physik einbrachte. Der photoelektrische Effekt beschreibt das Phänomen, dass Licht – wenn es auf bestimmte Materialien trifft – Elektronen „ausschlägt“, das heißt, es kann elektrische Ladung freisetzen. Diese freigesetzten Elektronen können dann einen elektrischen Strom erzeugen.

Funktionsweise von Photovoltaikzellen

Die wichtigsten Bestandteile einer Photovoltaik- oder Solarzelle sind zwei Schichten aus Halbleitermaterial, meist Silizium, die unterschiedlich dotiert sind, um eine p-n-Übergang zu schaffen. Die eine Schicht ist p-dotiert und hat dadurch einen Überschuss an „Löchern“ (leeren Elektronenplätzen), während die andere Schicht n-dotiert ist und einen Überschuss an Elektronen hat.

Wenn Licht auf die Solarzelle trifft, kann es Elektronen aus den Atomen in der n-dotierten Schicht „ausschlagen“. Diese Elektronen können über den p-n-Übergang in die p-dotierte Schicht wandern. Dadurch entsteht ein Spannungsunterschied zwischen den beiden Schichten. Wenn nun ein äußerer Verbraucher an die Zelle angeschlossen wird, können die Elektronen durch diesen Verbraucher zurück in die n-dotierte Schicht fließen und dabei elektrische Arbeit verrichten, also beispielsweise eine Lampe zum Leuchten bringen.

Photovoltaiksysteme

Ein Photovoltaiksystem besteht in der Regel aus mehreren Komponenten: den Photovoltaikzellen selbst, die zu Modulen zusammengeschaltet sind, einem Wechselrichter, der den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, damit er ins Stromnetz eingespeist oder von Haushaltsgeräten verwendet werden kann, sowie oft auch einem Energiespeicher, wie z.B. einem Batteriespeicher.

Effizienz und Umweltverträglichkeit

Die Effizienz von Photovoltaikzellen ist abhängig von vielen Faktoren, darunter die Qualität des Halbleitermaterials, die Konstruktion der Zelle, die Intensität und das Spektrum des Lichts und die Temperatur der Zelle. In der Praxis erreichen handelsübliche Photovoltaikzellen Effizienzen von etwa 15-20%, obwohl Labormuster unter idealen Bedingungen deutlich höhere Effizienzen erzielen können.

Trotz ihrer nicht perfekten Effizienz sind Photovoltaiksysteme eine sehr umweltfreundliche Form der Energieerzeugung, da sie während des Betriebs keine schädlichen Emissionen freisetzen. Allerdings gibt es auch bei der Produktion von Photovoltaikzellen Umweltauswirkungen, zum Beispiel durch den Energieverbrauch und die Verwendung von Chemikalien. Diese Umweltauswirkungen sind jedoch im Vergleich zu den meisten anderen Formen der Energieerzeugung relativ gering, und die Energie, die zur Herstellung einer Photovoltaikzelle benötigt wird, wird in der Regel innerhalb von ein bis drei Jahren durch die erzeugte Energie wieder hereingeholt.

Entwicklung und Zukunft der Photovoltaik

Die Photovoltaik hat sich seit ihrer Entdeckung stark weiterentwickelt. Anfangs wurden Photovoltaikzellen hauptsächlich in der Raumfahrt eingesetzt, wo sie eine wichtige Energiequelle für Satelliten darstellen. In den letzten Jahrzehnten sind Photovoltaiksysteme jedoch immer günstiger und effizienter geworden und spielen heute eine wichtige Rolle in der globalen Energieversorgung.

Es wird erwartet, dass die Photovoltaik in den kommenden Jahrzehnten weiter an Bedeutung gewinnen wird, da die Kosten weiter sinken und die Effizienz weiter steigt. Gleichzeitig steigt auch der Bedarf an erneuerbaren Energien, um die globalen CO2-Emissionen zu reduzieren und den Klimawandel zu bekämpfen.