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Glossar · Solar

Photovoltaischer Effekt

Entstehung von Spannung und Strom in einem Halbleiterübergang, wenn er Photonen absorbiert, deren Energie über der Bandlücke des Materials liegt.

Der photovoltaische Effekt, 1839 erstmals von Edmond Becquerel beobachtet, ist die physikalische Grundlage jeder Solarzelle. Ein Photon, dessen Energie die Bandlücke des Halbleiters übersteigt, hebt ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband und hinterlässt ein positiv geladenes Loch. Das eingebaute elektrische Feld eines p-n-Übergangs trennt das Paar, bevor es rekombiniert, und die getrennten Ladungen treiben Strom durch einen äußeren Stromkreis.

E = h·c / λ   ⇒   λmax (nm) ≈ 1240 / Eg (eV)

Kristallines Silizium hat eine Bandlücke von 1,12 eV und absorbiert daher Licht bis etwa 1.100 nm. Zwei Verluste setzen dem Wirkungsgrad eine feste Obergrenze: Photonen unterhalb der Bandlücke durchqueren die Zelle ungenutzt, und die überschüssige Energie energiereicher Photonen geht als Wärme verloren (Thermalisierung). Die Shockley-Queisser-Grenze für eine Einfachzelle im Spektrum AM1.5 liegt bei etwa 33,7 %, erreicht bei einer Bandlücke um 1,34 eV. Für Silizium liegt die praktische Grenze unter Berücksichtigung der Auger-Rekombination bei etwa 29,4 % (Richter et al., 2013).

Mehrfach- und Tandemzellen wie Perowskit auf Silizium stapeln Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken. Das verringert die Thermalisierung und hebt den Wirkungsgrad über die Grenze der Einfachzelle.

Verwandte Begriffe

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  • Solarzelle

    Halbleiterbauelement, meist ein dotierter Siliziumwafer mit Metallkontakten, das Sonnenlicht über den photovoltaischen Effekt direkt in Gleichstrom umwandelt.

  • Perowskit-Solarzelle

    Solarzelle mit einem Absorber aus einer Metallhalogenid-Verbindung mit Perowskit-Kristallstruktur: einstellbare Bandlücke, günstige Herstellung und ungewöhnlich schnelle Fortschritte beim Wirkungsgrad.

  • Monokristallines Silizium

    Silizium, das als durchgehender Einkristall gezogen wird, meist nach dem Czochralski-Verfahren; der Wafertyp mit dem höchsten Wirkungsgrad, der die Photovoltaik heute dominiert.

  • Bestrahlungsstärke

    Die momentan pro Flächeneinheit empfangene Sonnenleistung, gemessen in Watt pro Quadratmeter (W/m²).

  • Standardtestbedingungen (STC)

    Referenzbedingungen für die Leistungsangabe von PV-Modulen: 1.000 W/m² Einstrahlung, 25 °C Zelltemperatur und Sonnenspektrum AM1,5G.