Die Grundlage der Photovoltaik ist die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie – ein Vorgang, der auf dem sogenannten photoelektrischen Effekt basiert. Um das zu verstehen, schauen wir zunächst auf das, was Licht physikalisch ist.

1. Was ist Licht aus physikalischer Sicht?

Licht ist eine Form von elektromagnetischer Strahlung. Es besteht aus kleinen Energieeinheiten, den sogenannten Photonen. Je nach Wellenlänge des Lichts besitzen diese Photonen mehr oder weniger Energie. Kurzwelliges Licht (z. B. blaues oder ultraviolettes Licht) hat mehr Energie als langwelliges (z. B. rotes Licht).

Wenn Photonen auf ein Material treffen, können sie dort Energie übertragen – unter bestimmten Bedingungen reicht diese Energie aus, um Elektronen aus dem Material zu lösen. Dies ist die physikalische Grundlage für Photovoltaik.

2. Stromerzeugung: Der photoelektrische Effekt

Der photoelektrische Effekt wurde erstmals von Albert Einstein beschrieben. Er zeigt, dass ein Photon, wenn es genug Energie hat, ein Elektron aus einem Material „herausschlagen“ kann. In der Photovoltaik nutzt man diesen Effekt gezielt, um Elektronen in einem Halbleitermaterial in Bewegung zu versetzen – und dadurch Strom zu erzeugen.

3. Silizium als Halbleiter – das Herz der Solarzelle

Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium, einem sogenannten Halbleitermaterial. In seiner reinen Form leitet Silizium nur schlecht Strom – aber durch das gezielte Einbringen von Fremdatomen (Dotierung) wird eine Struktur geschaffen, in der sich Elektronen unter bestimmten Bedingungen frei bewegen können.

Eine typische Solarzelle besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Schichten:

n-Schicht (negativ dotiert): enthält zusätzliche Elektronen

p-Schicht (positiv dotiert): hat „Elektronenlöcher“, also fehlende Elektronen

Zwischen diesen beiden Schichten bildet sich eine Grenzschicht (p-n-Übergang) mit einem elektrischen Feld.

4. So entsteht Strom in der Solarzelle

Wenn Sonnenlicht (also Photonen) auf die Solarzelle trifft, dringen diese in das Silizium ein. Trifft ein Photon auf ein Elektron im Silizium, kann es dieses aus seiner festen Bindung lösen – es entsteht ein freies Elektron und ein positives „Loch“.

Das eingebaute elektrische Feld in der Grenzschicht sorgt nun dafür, dass:

das freie Elektron zur n-Schicht wandert

das Loch in die p-Schicht gezogen wird

Diese Richtungstrennung der Ladungsträger erzeugt eine elektrische Spannung zwischen den beiden Schichten. Schließt man nun einen äußeren Stromkreis (z. B. über ein Kabel), fließen die Elektronen durch diesen Kreislauf – und es entsteht Gleichstrom.

Zusammenfassung:

Sonnenlicht besteht aus Photonen.

Diese treffen auf Silizium und „stoßen“ Elektronen heraus.

Ein elektrisches Feld in der Solarzelle sorgt dafür, dass sich die Elektronen in eine Richtung bewegen.

Dadurch entsteht Strom, der genutzt werden kann – z. B. für Haushaltsgeräte oder zur Einspeisung ins Netz.