Der photoelektrische Effekt ist das Phänomen, bei dem Elektronen aus einem Material emittiert werden, wenn es Licht ausgesetzt wird. Dieser Effekt wurde erstmals von Heinrich Hertz in den späten 1800er-Jahren beobachtet und später von Albert Einstein im Jahr 1905 erklärt.
Der photoelektrische Effekt tritt auf, wenn Photonen des Lichts oder Pakete elektromagnetischer Energie auf ein Material treffen und ihre Energie auf Elektronen im Material übertragen. Wenn die Energie der Photonen größer ist als die Bindungsenergie der Elektronen im Material, werden die Elektronen aus dem Material ausgestoßen, was zu einem Stromfluss führt.
Der photoelektrische Effekt ist die Grundlage für den Betrieb vieler Arten von Solarzellen, die photoelektrische Materialien verwenden, um Sonnenlicht in Strom umzuwandeln.
Wie funktioniert der Photoeffekt?
Der Photoeffekt, auch photoelektrischer Effekt genannt, findet in den Halbleitern statt. Zentrale Rollen bei diesem physikalischen Vorgang spielen das sogenannte Valenz- und das Leitungsband. Der Effekt lässt sich immer dann beobachten, wenn Elektronen durch die Photonen vom Valenzband aus in das Leitungsband verschoben werden. Doch dieser Vorgang findet nur dann statt, wenn die Energie der Photonen und der Bandlücke des Halbleiters übereinstimmen.
Noch etwas komplizierter wird es, wenn Sie diesen Vorgang in Bezug auf die Photovoltaik betrachten. Hier muss zusätzlich ein pn-Übergang vorhanden sein, damit der Photoeffekt auftreten kann, da nur so eine Ladungstrennung funktionieren kann. Im Rahmen der Funktionalität der Photovoltaik werden die Ladungsträger in einer Photodiode voneinander getrennt.
Hier wird also letzten Endes die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie umgewandelt. Mit diesen Annahmen ist eine Solarzelle also “nur” eine Photodiode, die sich durch die proportionale Zunahme der Stromstärke bei mehr Strahlung auszeichnet.
Wie wurde der Photoeffekt entdeckt?
Doch bevor der Photoeffekt erklärt werden konnte, dauerte es natürlich. Dies galt selbst nach der ersten Entdeckung. Im Jahr 1839 erkannte der bekannte Wissenschaftler Alexander Edmond Bequerel im Verlauf eines Experiments, dass ein lichtabhängiger Stromfluss zwischen zwei elektrolytischen Zellen entsteht.
Eine genaue Erklärung, warum und wie dieser Stromfluss entsteht, konnte Bequerel aber noch nicht liefern. In den folgenden Jahren machten sich weitere Wissenschaftler und Experten an die Arbeit, um dieses Rätsel zu lösen und unternahmen umfassende Untersuchungen. Hierbei spielten unter anderem Heinrich Hertz und W. Hallwachs im Jahr 1887 eine zentrale Rolle.
Die restlichen Zweifel und eine vollständige Klärung des Effekts folgten allerdings erst im Jahr 1905. Albert Einstein fertigte hier seine Arbeit zum Lichtquanteneffekt an, für die er im Übrigen im Jahr 1921 den Nobelpreis erhielt. Die Erklärung basiert auf der beschriebenen Annahme, dass Licht nicht nur eine Welle ist, sondern auch Teilcheneigenschaften besitzt. Dementsprechend besitzen die Photonen eine bestimmte Energieladung und können diese an andere Teilchen übertragen.
Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Photoeffekt und der Entwicklung der Photovoltaik?
Mit der Erklärung und dem Wissen rund um den Photoeffekt konnte die Entwicklung der Photovoltaik beginnen, denn auf diesem physikalischen Prinzip basiert die Stromgewinnung aus der Sonnenenergie. Die ersten Entwicklungen rund um Solarzellen stammen aus den Bells Laboratories, hier gestaltete sich der Wirkungsgrad aber noch sehr gering.
Ab Ende der 1950er-Jahre entwickelte sich die Technik aber massiv weiter, unter anderem auch durch eine sehr große Nachfrage aus dem Bereich der Raumfahrt. Auch durch das steigende Interesse zur Sicherung der Energieversorgung auf der Erde gewann die Photovoltaik an Bedeutung, heute sind die Anlagen aus dem privaten und professionellen Umfeld auch dank zahlreicher Förderungen nicht mehr wegzudenken.
