Photoelektrischer Effekt

Was ist der photoelektrische Effekt?

Der photoelektrische Effekt beschreibt das Herauslösen von Elektronen aus einem Material durch einfallendes Licht. In Solarzellen wird eine spezielle Form genutzt – der innere Photoeffekt – bei dem Photonen Elektronen im Halbleiter vom Valenzband ins Leitungsband heben und so elektrischen Strom erzeugen.

Physikalischer Hintergrund

Albert Einstein erklärte den Photoeffekt 1905 und erhielt dafür 1921 den Nobelpreis. Die Kernaussagen:

• Licht besteht aus Energiequanten (Photonen)
• Jedes Photon hat die Energie E = h · f (h = Planck-Konstante, f = Frequenz)
• Nur Photonen mit ausreichender Energie können Elektronen freisetzen
• Die Bandlücke des Halbleiters bestimmt, welche Wellenlängen genutzt werden

Bedeutung für Solarzellen

Material	Bandlücke	Nutzbares Spektrum
Silizium	1,12 eV	bis ca. 1.100 nm (infrarot)
Perowskit	1,5–1,7 eV	bis ca. 800 nm (sichtbar)
CdTe	1,45 eV	bis ca. 850 nm

Photonen mit weniger Energie als die Bandlücke können nicht genutzt werden. Photonen mit mehr Energie verlieren den Überschuss als Wärme. Dieses Limit (Shockley-Queisser-Grenze) begrenzt den theoretischen Wirkungsgrad einer Einzelzelle auf ca. 33 %.

Praxistipp

Der photoelektrische Effekt funktioniert auch bei diffusem Licht und bewölktem Himmel – nur mit geringerer Intensität. Daher erzeugen Solaranlagen auch an trüben Tagen Strom, wenn auch deutlich weniger.