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Wie ein Nobelpreis uns Strom liefert - Die Physik hinter...


von JuliusS
08.09.2015
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91 P

... der Solarzelle. Sonnenenergie ist etwas Erstaunliches. Sie kann uns bräunen, sorgt dafür, dass die Natur bunt ist und scheint jeden Tag wieder zukommen, und das auf ewig. Genau genommen stimmt das nicht ganz. Die Sonne wird sich in ungefähr 5 Milliarden Jahren in einen weißen Zwerg verwandeln, aber da die Erde dabei ziemlich sicher komplett zerstört wird ist das eine Sache, um die wir uns hier nicht kümmern müssen.
Nun aber zu dieser Energie. Da sie immer wieder kommt und ziemlich endlos verfügbar ist, ist die Idee eigentlich nicht schlecht, diese Energiequelle anzuzapfen. Aber wie genau funktionieren diese Solarzellen, die genau das machen?

Gehen wir einen Schritt zurück. Diese Solarenergie, was ist das eigentlich? Die einen sagen Wellen (elektromagnetische Wellen, um genau zu sein), die anderen sagen, es wären diese komischen Teilchen (auch Photonen genannt). Also wer hat jetzt Recht? Die Antwort ist einfach und zugleich ziemlich kompliziert. Es ist BEIDES (!) und zwar gleichzeitig. Um das zu verstehen hilft die berühmte Katze von Schrödinger. Erwin Schrödinger (1887-1961, Physiknobelpreis 1933) war einer der Mitbegründer der Quantenmechanik, einer physikalischen Theorie, die sich mit den kleinsten Teilchen der Physik („Elementarteilchen“) und deren wirklich erstaunlichen Verhalten beschäftigt. (Genauer gesagt beschreibt Schrödinger’s Gleichung den Wellencharakter eines Teilchen).
Er fand ein gutes Gedankenexperiment zu dem Verständniss des sogenannten Welle-Teilchen-Dualismus, eben die genannte Schrödinger’s Katze. Stellen wir uns eine Katze vor, welche ich eine Schall- und Blickdichte Kiste gesperrt wird. Neben der Katze befindet sich in der Kiste noch ein radioaktiver Stoff, der mit einer 50%igen Wahrscheinlichkeit nach einer Stunde zerfällt. Wenn der Stoff zerfällt, dann löst dieser Zerfall eine Kettenreaktion aus, die ein giftiges Gas freisetzt, und die Katze tötet. Das ist zwar sehr traurig, aber für das Experiment wichtig, denn es geht nun darum, nach einer Stunde zu sagen, ob die Katze noch lebt, oder tot ist. Da wir das von außen nicht sagen können, ohne in die Kiste zu gucken, müssen wir, wenn wir genau sagen sollen, in welchen „Zustand“ die Katze ist, davon außgehen, dass die Katze lebt UND GLEICHZEITIG tot ist. Ebenso wie Elementarteilchen gleichzeitig Welle und Teilchen sind, solange wir sie nicht beobachten.
Nun aber zurück zu unserem Solarproblem. Durch die Beobachtung, die wir machen, können wir im folgenden den Teilchencharakter annehmen. Und das führt uns zu einem weiteren berühmten Mann. Einem Angestellten in einem Patentbüro, der ganz plötzlich die komplette physikalische Welt auf den Kopf stellt. Es geht natürlich um Albert Einstein (1879-1955). Einsteins Relativitätstheorie hat unser Verständnis von Physik so dermaßen auf den Kopf gestellt, das er mit guten Gewissen zu einem der wichtigsten Physikern der Welt gezählt werden kann. Und er hat sogar einen Nobelpreis bekommen. Das war 1921. Und er hat diesen Physiknobelpreis nicht für die Relativitätstheorie erhalten, wie viele vielleicht denken. In Wirklichkeit hat er den Nobelpreis für die physikalische Beschreibung des Phänomens erhalten, das der Solarzelle zugrunde liegt.


Diese Phänomen wird photoelektrischer Effekt genannt. Erstmals beobachtet wurde er 1886 von Heinrich Hertz, der diesen als Randnotiz bemerkte, aber sich sonst nicht weiter damit beschäftigte. Wilhelm Hallwachs untersuchte den Effekt dann genauer mit negativ geladenen Zinkplatte. Joseph J. Thomson zeigte 1899, dass die emmitierten Teilchen gleichbedeutend mit den (von ihm entdeckten) Elektronen sind. Und da das Problem mit der damaligen Vorstellung von Licht als Welle nicht vereinbar war, musste eine neue Theorie her.
Und da kam dann Albert Einstein und verfeinerte eine Theorie von Max Planck, der zum ersten mal die sogenannten Quanten beschrieb. Das ist so eine Art Botenstoff, deren Energie von der Freuquenz einer dazugehörigen Welle abhängt. Einstein konnte zeigen, dass diese Teilchen (die er Photonen nannte) eben diesen Photoelektrischen Effekt erklären konnten. Aber was ist denn nun dieser Effekt.

Der Photoelektische Effekt beschreibt eine Ladungsänderung (von negativ zu positiv) bei einer, mit Licht bestrahlten Platte.
Dabei liefern die Photonen einer bestimmten Frequenz genau die Energiemenge, die dazu nötig ist, Elektronen aus einem Atom herauszuschlagen. Sobald man nun in das Licht mehr Energie reinsteckt (Die Frequenz erhöht) werden zwar nicht mehr Elektronen herausgeschlagen, dafür haben die herausgeschlagenen Elektronen allerdings eine höhere Geschwindigkeit. Erhöht man die Intensität (Amplitude) des Lichtes so werden mehr Elektronen frei. Man kann dies erneut durch ein Gedankenexperiment verdeutlichen. Stellt euch eine unendlich große Lagerhalle vor, mit unendlich vielen Menschen darin. Der Besitzer dieser Lagerhalle ist ein alter Geizkragen (zufällig heißt er Dagobert Duck). Außerdem hasst Dagobert Kinder. Daher wurden alle Kinder in den Keller verbannt. Die Eltern können allerdings von oben in den Keller zu den Kindern hinunter gucken, und Gegenstände hinunter werfen. Da Dagobert geiziger ist als er Kinder hasst, beschließt er, dass die Kinder nach oben dürfen, wenn sie dafür 10 € bezahlen. Wenn jetzt jeder der Eltern einfach Geld hinunter werfen würde, würde das wahrscheinlich nie wirklich klappen. Daher beschließt du das Geld, das die Menschen haben, aufzuteilen, so dass einer alle ein Cent Münzen bekommt, der Nächste alle zwei Cent Münzen und so weiter, bis alles Geld verteilt ist. Wenn nun die Person mit den ein Cent Münzen anfangen würde, diese Münzen nach unten zu werfen, dann könnte er so lange und so viele Münzen nach unten werfen wie er will. Keines der Kinder würde je die 1000 Münzen zusammen bekommen, die es braucht um aus dem Keller zu kommen. Ähnlich schlecht sehen die Chancen bei 2 Cent (500 Münzen), 5 cent (200), 50 (20) oder 1€ (10 Münzen) aus. Das Problem ist einfach, dass es unendlich viele Kinder gibt, die gerne aus dem Keller hinaus wollen. Daher wird es sogar bei der Person, die die 5€ Scheine hinunter schmeißt schwer, dass ein Kind die 2 Scheine zuammen bekommt. Fängt jetzt allerdings die Person mit den 10 € Scheinen an, die Scheine hinunter zu werfen, dann kommt jedes Kind, welches einen Schein fängt, aus dem Kelller hinaus. Und die Anzahl der Scheine, die in den Keller geworfen werden, ändern die Anzahl der Kinder, die hinaus kommen. Wirft nun die Person mit den 20€ Scheinen auch noch ihre Scheine nach unten, dann bekommen die Kinder am Kellerausgang sogar noch 10 € zurück. Die Anzahl der 20 € Scheine ist entscheidend dafür, wie viele Kinder rauskommen, die Höhe des Scheines ist entscheidend für das Rückgeld.
Was hat das nun alles mit diesem Effekt zu tun? Nun, gucken wir uns das noch mal an. Die Kinder in dem Experiment sind die Elektronen in einem Atom. Der (bewachte) Kellerausgang ist die Anziehungskraft des Atomkerns. Die 10 € ist die sogenannte Auslöse Arbeit, also die Energiemenge, die benötigt wird um der Anziehung des Atoms (=dem Keller) zu entkommen. Die Geldstücke/-Scheine entsprechen den verschiedenen Energiestufen des einfallenden Lichts. Das Rückgeld enspricht der Geschwindigkeit der austretenden Elektronen.
Also sorgt Licht einer bestimmten Wellenlänge dafür, dass Elektronen ein Atom verlassen können. Aber was hat das jetzt alles mit der Solarzelle zu tun?
Nun, das Bild oben beschreiben, wie man mit diesem System Strom erzeugen kann. Dadurch, dass die Elektronen auf die andere Seite gelangen, läd sich diese Scheibe negativ auf, und die andere (wo die Elektronen herkommen) wird postiv geladen. Nun können die Elektronen von der negativen Seite zu der positiven Seite über die Kabel zurück fließen. Dadurch ensteht ein Stromfluß. Bleibt nur noch die Frage zu klären, warum die Solarzellen so komisch aussehen.
Also gucken wir uns diese kleinen Zellen mal genauer an.
Eine Solarzelle besteht aus mehreren Schichten. Um genau zu sein sind es zwei verschiedene Silizium Schichten. Silizium ist ein wirklich erstaunliches Element, es steht im Periodensystem direkt unter Kohlenstoff, was bedeutet, dass es da ein paar Gemeinsamkeiten gibt. Tatsächlich haben Silizium und Kohlenstoff einige Gemeinsamkeiten, zum Besispiel können beide Elemente langkettige Verbindungen eingehen (Was Menschen auf Siliziumbasis, statt auf Kohlenstoffbasis zu super Erfindungen für SiFi-Aliens macht). Außerdem bildet Silizium mit andern Siliziumatomen Verbindungen, ähnlich wie Graphit, das Zeugs in euren Bleistiften. Dabei kann jedes Siliziumatom vier Bindungen ausbauen, also eine Bindung zu einem von vier Nachbarn. Aber Silizium kann noch mehr. Es ist das am häufigsten benutze Element bei elektrischen Schaltkreisen, was es zu einem der berühmtesten Halbleiterelemente macht (Stichwort Silicon Valley). Also kann Silizium unter bestimmten Umständen als ektrischer Leiter fungieren. Mit steigender Temperatur, können sich Elektronen aus dem Verband lösen und es ensteht ein postivier Rumpf und ein freies Elekron. Der Rumpf wird gerne auch als Elektronenloch (oder einfach nur Loch) bezeichnet. Diese Bezeichnung gefällt mir aber nicht. Ich spreche lieber von einer positiven Ladung. Diese Leitfähigkeit kann man verbessern, in dem man die Kristallgitter „dotiert“. Das bedeutet, dass man bestimmte Fremdatome in das Gitter einfügt. Bei Solarzellen wedern meistens Phosphor und Bor benutzt. Durch die unterschiedliche Anzahl an Außenelektronen (Oder auch Valenzelektronen) haben diese Fremdatome entweder zu viele Elektronen (Phosphor, 5 statt vier) oder zuwenig (Bor, 3 Statt 4). Dadurch geben sie entweder Elektronen ab (P) oder nehmen welche auf (B), wodurch im Kristall eine negative Ladung (ein Elektron zuviel) oder eine positive (ein Elektron zu wenig) entsteht. Daher bezeichnet man die Kristalle nach der Veränderung auch als n-dotiert (Bei Phosphor) und p-dotiert (bei Bor). Wenn man diese beiden Schichten nun kombiniert, so entsteht dazwischen eine elektrisch neutrale, nicht leitende Schicht. Jetzt setzten wir oben und unten noch einen Kontakt dran und fertig ist die Solarzelle.


Wenn jetzt Sonnenenergie dazukommt, kommt es zum sogenannten inneren Photoeffekt. Das ist im Grunde genommen das selbe, wie das was wir oben besprochen haben, nur das die Elektronen nicht aus dem Atom hinausgeschossen werden, sondern lediglich auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. (Vergleiche Zeichnung).

Dieses höhere Niveau liegt dann in dem Leiter, der die Elektronen geschickt ableitet. Und damit haben wir dann endlich unseren elektrischen Strom.


Ich hoffe, ich konnte euch die Funktionsweise einer Solarzelle etwas näherbringen.

 

Zum Schluss noch eine kleine Faktenbox.
Erzeugungsart Silizium-Solarzellen (über 95% der produzierten Solarzellen sind Silizium Zellen)
Stromart Gleichstrom
Wirkungsgrad, Labor Bis zu 25%
Wirkungsgrad, Realität Bis zu 17%
Wirkungsgrad, theoretisch Maximal Bis zu 28%
Leistung Temperaturabhängig
Spannung 0,5V
Physikalisch Interessant Photoeffekt, Halbleiter


Bis zum nächsten Mal und weiterhin viel Spaß beim Weltretten


Euer Julius

 

PS: Quellen:
Titelbild: F. Möller
Zeichnungen: eigenen


Inhalt:
http://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/photovoltaik.html

http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/einfuhrung-in-die-elektronik 

http://physik.uni-graz.at/~cbl/QM/contents/Projekte_2004/p1/G7_Photoeffekt.pdf

PPS: Nerdwissen
Quantenmechanik
https://www.youtube.com/watch?v=TfmjL1fAZ5Q (Englisch)
http://www.spektrum.de/news/quantenphysik-erlaubt-die-zeitreise/1313448 (Einfach mal durch klicken)
Weiße Zwerge
http://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/weisser-zwerg/525
Das Gedankenexperiment „Keller“ stammt aus dem Buch „Das elegante Universum“ von Brian Greene. Es geht um die Stringtheorie, allerdings werden Relativitätstheorie und Quantenmechanik auch vorher noch einmal erklärt. Sehr interessant und lesenswert.

PPPS: Anmerkungen und Fragen gerne in die Kommentare schreiben, oder per PN :D

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Kommentare (5)
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Sortieren nach Aktualität:
28.03.2016
Buchenblatt hat geschrieben:
Danke für die tolle Erklärung. Besonders der Vergleich mit Dagobert ist echt anschaulich! :)
30.09.2015
Ivonne hat geschrieben:
Hey Julius, echt ein toller Bericht! Ich mag deine humorvolle und bildhafte Sprache. Ich höre ja beim 2°Campus regelmäßig physikalische "Sachen", aber in deinem Artikel hab ich auch nochmal einiges dazugelernt. Die Bilder der Katze und Dagoberts Halle sind sehr einprägsam! :-)
17.09.2015
Johannisbeere1502 hat geschrieben:
Wow, da habe jetzt sogar ich als Physik- Niete etwas verstanden. (Nicht alles- aber etwas ;-) )
12.09.2015
Luke24 hat geschrieben:
Krass, da hast du dir aber Mühe gegeben! Respekt!

Obwohl mein letzter Physikunterricht schon rund sieben Jahre her ist, konnte ich mich durch deine Erklärungen an vieles wieder erinnern.
11.09.2015
lolfs hat geschrieben:
Interessantes Thema und gut verständlicher Bericht.

Danke!
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