Was ist Photovoltaik?

Die Photovoltaik ist eine spezielle Technik, um elektrische Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen. Bei dieser Technik werden aus Halbleitern aufgebaute Solarzellen verwendet. Photovoltaik ist zwar ein Teilbereich der Nutzung der Solartechnik, darf jedoch nicht mit dieser gleichgesetzt werden, da es noch andere Formen gibt, die Sonnenenergie ohne den Einsatz von Solarzellen zu nutzen. Beispielsweise gibt es thermische Sonnenkraftwerke, die mithilfe des Sonnenlichts einen Dampfgenerator betreiben, um elektrische Energie zu gewinnen. Der Name stammt vom griechischen Begriff Photo, der Licht bedeutet und Volt, der Einheit für die elektrische Spannung.

Die Eigenschaft des Silizium-Halbleiters
Elektrischer Strom ist ein Fluss von Ladungsträgern, in der Regel von negativ geladenen Elektronen. Um den Strom zu leiten, muss ein Material über bewegliche Elektronen verfügen. Die äußerste Schicht des Silizium-Atoms besteht aus vier Elektronen. Um ein stabiles Gleichgewicht zu erreichen, werden jedoch acht Elektronen benötigt. Daher teilt sich das Silizium-Atom die Elektronen mit den Nachbaratomen, wodurch ein festes Kristallgitter entsteht, in dem alle Atome in einem stabilen Zustand und die Elektronen fest gebunden sind. Daher ist Silizium im Normalzustand nicht leitungsfähig. Wenn jedoch Sonnenlicht auf das Silizium trifft, versetzt dieses das Kristallgitter in Schwingungen, sodass das Gitter aufgebrochen wird. In diesem Zustand wird Silizium leitfähig, weshalb es in die Gruppe der Halbleiter fällt. Um die Leitfähigkeit weiter zu verbessern, dotieren die Techniker das Silizium. Das bedeutet, dass sie in geringer Menge Atome mit einer anderen Anzahl an Elektronen in der Außenschale in das Kristallgitter einbauen. Bei der p-Dotierung wird ein Atom mit fünf Elektronen in der Außenschale, beispielsweise Phosphor, verwendet. So bleibt ein überzähliges Elektron bestehen, das die Leitungsfähigkeit erhöht. Bei der n-Dotierung hingegen wird ein Atom mit nur drei Elektronen in der äußersten Schicht verwendet, häufig kommt hier Aluminium zum Einsatz. Auch diese Löcher, die entstehen, da ein Elektron für die Entstehung eines stabilen Gleichgewichts fehlt, wirken sich positiv auf die Leitfähigkeit aus.

Die Fertigung von Solarzellen
Um Solarzellen für die Photovoltaik zu nutzen, werden eine p-dotierte und eine n-dotierte Siliziumschicht übereinandergelegt. In der Regel wird bei der technischen Umsetzung eine sehr dünne, jedoch stark n-dotierte Schicht über eine dickere, jedoch nur schwach p-dotierte Schicht gelegt. Wenn nun das Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, regt sie diese an und erleichtert die Beweglichkeit der Elektronen. Durch diese Beweglichkeit können die überzähligen Elektronen der p-Schicht in die Löcher der n-Schicht wandern. Dies geschieht, da die Atome immer das Bestreben haben, ein stabiles Gleichgewicht mit acht Elektronen in der Außenschale zu erzeugen. Durch diesen Vorgang entsteht jedoch eine Wanderung der Elektronen, was bedeutet, dass elektrischer Strom fließt. Die n-Schicht lädt sich negativ auf, da hier nun mehr Elektronen vorhanden sind als zuvor, die p-Schicht hingegen wird positiv aufgeladen, da hier nun weniger Elektronen vorhanden sind. Der Mensch kann nun diese Ladung abgreifen und nutzen.

Die Nutzung der Photovoltaik
Die physikalischen Grundlagen, die der Photovoltaik zugrunde liegen, sind bereits seit dem neunzehnten Jahrhundert bekannt. Genutzt wurde diese Technik jedoch erst 1955, als erstmals Telefonverstärker mit Solarzellen betrieben wurden. Kurz darauf erhielt die Entwicklung der Photovoltaik einen großen Schub, da sie nun in der Raumfahrt verwendet wurde. Die ersten Solarzellen waren jedoch sehr teuer und außerdem wurde für die Herstellung sehr viel Energie benötigt, sodass sie nur für spezielle Anwendungen infrage kamen, wenn keine alternativen Energieträger zur Verfügung standen. Dies war beispielsweise in der Raumfahrt der Fall, aber auch bei abgelegenen Geräten, die nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen waren. Durch die zunehmende Energieknappheit und das gestiegene Umweltbewusstsein konnte die Photovoltaik jedoch auch in Bereiche vordringen, in denen auch andere Energiequellen nutzbar wären. In Deutschland wurde beispielsweise die Errichtung einer Photovoltaik-Anlage auf privaten Hausdächern stark gefördert, um die umweltbelastenden Konsequenzen anderer Formen der Energiegewinnung herabzusetzen. So wurde die Photovoltaik  im Laufe der letzten Jahre zu einem wichtigen Standbein der deutschen Energieversorgung.