Wenn Sonnenlicht, auch diffuses Tageslicht, technisch direkt in elektrische Energie umgewandelt wird, dann ist die Rede von Photovoltaik. Es handelt sich um eine besonders umweltfreundliche Art und Weise der Erzeugung elektrischen Strom. Dass so etwas überhaupt möglich ist, basiert auf dem photovoltaischen Effekt, der schon vor zwei Jahrhunderten entdeckt wurde.


Der photovoltaische Effekt

Zu beobachten ist der photovoltaische Effekt bei jenen Halbleitern, die überhaupt in der Lage sind, Photonen (Lichtteilchen) zu absorbieren und außerdem geladene Teilchen (Elektronen) erzeugen können, die ausreichend Energie besitzen, damit sie das Material durchdringen und sogar verlassen können. Durch die Absorption eines Lichtquants kann ein Elektron von seinem Grundzustand in einen sogenannten angeregten Zustand übergehen, vorausgesetzt dem Lichtquant wohnt genug Energie inne. Generell gilt, dass dessen Energie proportional zur Frequenz ansteigt.

Durch die Anregung eines Elektrons entsteht ein freies Elektron-Loch-Paar. Bei Vorhandensein eines ausreichend starken elektrischen Feldes, das zum Beispiel an einem p-n-Übergang beim Halbleiter gegeben ist, driften beide Ladungsträger (Elektron und Loch) in entgegengesetzte Richtungen davon. Die Elektronen wandern nun in die n-Schicht, die Löcher entsprechend in die p-Schicht. Es kommt also zu einer Ladungsverschiebung, die als Photospannung messbar ist und einen arbeitsfähigen Photostrom generiert, wenn ein Verbraucher angeschlossen wird. Wie genau beim Halbleiter-Photoeffekt aus Licht elektrische Energie entstehen kann, darauf ist ein Wissenschaftler detailliert eingegangen und hat für seine Arbeit einen Preis für Physik erhalten. Innerhalb eines Halbleitermaterials werden die Elektronen also auf atomarer Ebene durch die Energie des Lichts angeregt beziehungsweise bis ins Leitungsband angehoben.


Die elektrotechnische Seite der Photovoltaik

Solche Anlagen bestehen aus Solarzellen, die ihrerseits aus mehreren dünnen Schichten Halbleitermaterialien aufgebaut sind. Die Solarzellen werden in Modulen zusammengefasst und schließlich auf Dächern oder anderen Flächen montiert, wobei darauf geachtet wird, dass sie in etwa in einem 45-Grad-Winkel nach Süden ausgerichtet sind, um das Sonnenlicht so effektiv wie möglich einfangen zu können.

Die Photovoltaik, beispielsweise von der WETABO GmbH, verursacht im Betrieb keinerlei schädliche Emissionen. Sehr wohl müssen die Solarzellen erst einmal industriell hergestellt und dann an ihre Einsatzorte transportiert werden. In der Gesamtbilanz sind Solarpanele einschließlich der zugehörigen Elektronik wie Wechselrichter und Transformatoren also nicht völlig klimaneutral. Je länger sie aber im Betrieb sind, desto weniger fallen die Emissionen im Rahmen ihres Herstellungsprozesses ins Gewicht. Immerhin ist Sonnenenergie praktisch an jedem Ort immer unbegrenzt und unerschöpflich verfügbar.


Jeder Platz ist nutzbar

Solarpanele und kleinere Einheiten mit Solarzellen können sehr flexibel auf fast allen Oberflächen installiert werden. Neben Dächern und Fassaden kommen auch Straßenlaternen oder sogar Kleidungsstücke als Trägerbasis infrage. Jeder weiß, dass Raumfahrt ohne Solarzellen gar nicht denkbar wäre.

An der Steigerung des immer noch begrenzten Wirkungsgrades beziehungsweise an der moderaten Effizienz der Photovoltaik wird permanent weiter geforscht und auch messbare Verbesserungen erzielt. Zudem wird angestrebt, die Sonnenenergie nicht nur direkt ins Stromnetz einzuspeisen, sondern auch gute Lösungen für deren Speicherung weiterzuentwickeln.