3. Physikalische Grundlagen des Lichts

3. Physikalische Grundlagen des Lichts
Um das Funktionsprinzip einer Solarzelle zu verstehen, ist es notwendig die physikalischen
Grundlagen des Lichts kurz zu erklären.
In der Physik gibt es zwei verschieden Modelle davon was Licht ist. Das ältere Modell beschreibt die elektromagnetische Strahlung als Wellenbewegung. Licht ist Teil der elektromagnetischen Strahlung die durch folgende Grössen charakterisiert wird.
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Die Wellenlänge λ
Die Amplitude A (Intensität)
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit (Sie ist unabhängig von der Wellenlänge und gleich
der Lichtgeschwindigkeit c = 2,9979 * 108 m/s)
Die Frequenz ν
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle entspricht dem Produkt aus Wellenlänge und
Frequenz.
c=λ*ν
Solarzellen absorbieren sowohl Strahlung deren Wellenlänge im sichtbaren Bereich liegt, als
auch Infraroten oder UV-Strahlung.
Das von Max Planck und Albert Einstein erstellte Modell fasst Licht als einen Fluss von Teilchen auf. Max Planck stellte 1900 die Quantentheorie vor, nach der elektromagnetische
Strahlung nur in Form von bestimmten Energieportionen absorbiert oder emittiert werden
kann. Eine Energieportion wird Quant genannt. Der Energiebetrag eines Quants ist proportional zur Frequenz der Strahlung und lässt sich mit Hilfe der Proportionalitätskonstante h
(Planck-Konstante) ausrechnen. [h = 6,62608 * 10-34 J * s]
Ein einzelnes Quant, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt wird auch Photon genannt.
Die Gleichung E = h * ν gibt die Energie eines Photons in Abhängigkeit der Frequenz an.
Da es in der Photovoltaik meistens um den quantenhaften (portionsweisen) Transport von
Energie geht wird das Teilchenbild öfters verwendet als das der Wellenbewegung.
3.1 Der sichtbare Bereich
Der sichtaber Bereich der elektromagnetischen Strahlung hat Wellenlängen zwischen 380nm
und 780nm. Bzw. er besteht Photonen der Energie zwischen 1.5eV und 3eV.
Wellenlängen kleiner als 380nm gehören zu der vom Menschen nicht optisch wahrnehmbaren Ultravioletten Strahlung, Wellenlängen über 780nm gehören zur Infraroten Strahlung. Die
Messung an der Grätzelzelle findet ausschliesslich im sichtbaren Bereich statt.
Abbildung 3.1: Spektrum des sichtbaren Bereichs
3.2 Der Fotoelektrische Effekt (Photoeffekt)
Der Fotoelektrische Effekt stellt die physikalische Grundlage einer Photovoltaikzelle dar.
Dabei spielen 3 verschiedene Arten des fotoelektrischen Effekts eine Rolle.
Der Äussere fotoelektrische Effekt
Das Bohrsche Atommodell sagt, dass sich Elektronen auf Kreisbahnen um den Atomkern
bewegen. Wird ein Elektron von einem Photon getroffen wird die kinetische Energie des
Photons auf das Elektron übertragen. Ist die Energie
des Photons hoch genug, wird das Elektron von der
äusseren Bahn weggeschleudert, durch Abbildung 3.2
verdeutlicht. Dieses Phänomen wird auch fotoelektrischer Effekt oder Photoeffekt genannt. Entdeckt
wurde er 1921 von Albert Einstein der dafür den Nobelpreis erhielt. Er erklärt das Phänomen, dass nicht
alle Lichtsorten Elektronen aus einem Material schlagen können und die Geschwindigkeit mit der die Elektronen das Material verlassen nicht von der Intensität
Abbildung 3.2: Licht schlägt Elektsondern von der Frequenz des Lichtes abhängen.
ronen aus einem Metall heraus
Für die Effizienz einer Solarzelle bedeutet das, dass
die Frequenz des Lichtes die nötig ist um Elektronen herauszuschlagen von Material zu Material unterschielich ist.
Der innere fotoelektrische Effekt
Er lässt sich in Festkörpern wie z.B. Halbleitern beobachten.
Der photovoltaische Effekt
Erzeugt in einem Festkörper ein Spannungsgefälle. Er basiert auf dem innern fotoelektrischen Effekt, mit Hilfe eines p-n-Überganges kommt eine Ladungstrennung zu Stande. Die
einen Stromfluss bewirkt. (siehe Dotierung § 5.1)