Elektromagnetische Strahlung, wie Licht, interagiert mit Elektronen. Dies wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet.
Der photoelektrische Effekt
Licht interagiert mit Materie. Wenn ein Photon mit einer ausreichend hohen Energie auf ein Elektron trifft, löst es dieses aus seiner Position. Zurück bleiben ein freies Elektron und ein Elektronenloch. Diese Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist als photoelektrischer Effekt bekannt.
Im heutigen Artikel werden wir uns mit drei verschiedenen physikalischen Phänomenen befassen, die durch den photoelektrischen Effekt verursacht werden oder darunter subsumiert werden können. Auf diese Weise erhalten wir das nötige Hintergrundwissen, um die Funktionsweise photoelektrischer Komponenten wie lichtabhängigen Widerständen, Photodioden und Solarzellen zu verstehen.
Photoemission
Los geht es mit der Photoemission. Sie wird auch als Hallwachs-Effekt oder äußerer photoelektrischer Effekt bezeichnet. Sucht man nach dem photoelektrischen Effekt, stößt man in der Regel auf dieses Phänomen, da es zur Entdeckung des photoelektrischen Effekt geführt hat. Obwohl es von großer wissenschaftlicher Bedeutung ist, spielt es in der Elektronik kaum eine Rolle. Es lohnt sich aber trotzdem, einen Blick darauf zu werfen, um den photoelektrischen Effekt und seine Eigenschaften besser zu verstehen.
Heinrich Hertz ist ein deutscher Physiker, der für seine Forschungen über elektromagnetische Wellen bekannt ist. Bei einem seiner Experimente stellte er fest, dass die Ergebnisse anders ausfielen, wenn er seinen Aufbau in einen Glaskasten stellte. Er entdeckte, dass die Verwendung von Quarz anstelle von Glas das Problem löste, da Quarz das UV-Licht nicht wie Glas herausfiltert. Im Jahr 1887 führte er weitere Experimente zu diesem Phänomen durch und beschrieb sie. Der Physiker Willhelm Hallwachs setzte diese Experimente fort. Er entwickelte den folgenden Aufbau:
Eine Zinkplatte wird auf ein Blattgold-Elektroskop gelegt. Wenn es aufgeladen wird, lädt sich auch das in der Mitte angebrachte fein gebogene Goldblatt elektrisch auf. Da seine beiden Enden mit der gleichen Polarität geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab und das Goldblatt öffnet sich.
Hallwachs lud die Zinkplatte negativ auf und entdeckte, dass sie sich langsam entlädt, wenn das UV-Licht auf die Zinkplatte trifft. Er wiederholte seine Experimente in verschiedenen Varianten und fand heraus, dass die Zinkplatte, auch wenn sie zunächst ungeladen ist, langsam immer positiver geladen wird. Seine Schlussfolgerung war, dass Zink negative Ladungsträger emittiert, wenn es UV-Licht ausgesetzt wird.
Er sollte Recht haben. Wenn das UV-Licht auf die Zinkoberfläche trifft, werden von ihr Elektronen emittiert. Heutzutage ist dies als Photoemission oder als äußerer photoelektrischer Effekt bekannt. Dieses scheinbar einfache Phänomen warf jedoch eine Menge neuer Fragen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf. Warum muss es UV-Licht sein? Warum hängt die Energie der emittierten Elektronen nicht von der Lichtintensität, sondern von der Wellenlänge ab?
Namhafte Wissenschaftler wie Max Planck und Albert Einstein trugen im nächsten Jahrhundert zur Beantwortung dieser Fragen bei. Ihre Antworten stellten das bisherige Wissen über elektromagnetische Wellen auf den Kopf und trugen zur Entwicklung der Quantenphysik bei.
Wichtig für uns ist, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften hat. Der photoelektrische Effekt ist am einfachsten zu verstehen, wenn man das Licht als Teilchen, sogenannte Photonen, beschreibt. Die Energie dieser Photonen ist abhängig von der Wellenlänge. Blaues Licht mit einer kürzeren Wellenlänge (~ 450 nm) ist energiereicher als rotes Licht mit einer höheren Wellenlänge (~ 650 nm).
Damit der photoelektrische Effekt auftritt, muss die Energie der Photonen größer als die Bindungsenergie der Elektronen sein. Um Elektronen aus Zink freizusetzen, ist die hohe Energie des UV-Lichts erforderlich.
Das Freisetzen von Elektronen aus einem Material ist nicht immer das Ziel. Schon mit viel weniger energiereichem Licht kann der fotoelektrische Effekt im Inneren des Materials auftreten. Bei Silizium reichen Wellenlängen unter 1100 nm aus, um Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband freizusetzen. Das bedeutet, dass dieser Effekt im gesamten Spektrum des sichtbaren Lichts auftritt, was Silizium zu einem idealen Material für Fotodioden und Solarzellen macht.
Photoleitung
Als nächstes Thema: die Photoleitung. Wenn Licht auf ein Halbleitermaterial fällt, erhöht sich dessen Leitfähigkeit. Dieser Effekt wird z. B. in lichtabhängigen Widerständen genutzt. Aber was ist die Ursache dafür?
Die Antwort lautet natürlich: der photoelektrische Effekt. Das Licht bewirkt die Erzeugung neuer Elektronen-Loch-Paare innerhalb des Materials. Daher wird dies als interner photoelektrischer Effekt bezeichnet. Wird nun ein elektrisches Feld ("eine Spannung") angelegt, bewegen sich die erzeugten freien Ladungsträger zu den entsprechenden Polen und transportieren dabei elektrische Energie. Je mehr freie Ladungsträger, desto mehr Energie wird pro Zeit transportiert. Der Strom und die Leitfähigkeit nehmen durch das Licht zu.
Der photovoltaische Effekt
Der letzte Effekt ist der photovoltaische Effekt. Er beschreibt die Entstehung eines elektrischen Feldes im Inneren eines Materials oder eines elektrischen Bauteils unter dem Einfluss von Licht. Entdeckt wurde der Effekt von Alexandre Edmond Becquerel im Jahr 1839. Ihm gelang es, mit zwei identischen Elektroden in einem Elektrolytbad eine sehr geringe Spannung zu erzeugen. Wenn eine der Elektroden mit Licht, insbesondere UV-Licht, beleuchtet wurde, konnte er eine Spannung von wenigen Mikrovolt messen.
Becquerel war erst 19 Jahre alt, als er diese Entdeckung im Labor seines Vaters machte. Im Laufe seines Lebens setzte er seine Forschungen zu diesem und vielen anderen Themen im Zusammenhang mit der Wirkung von Licht fort. Er war jedoch weder in der Lage zu erklären, warum der photovoltaische Effekt auftritt, noch konnte er jemals davon profitieren. Es dauerte viele Jahre, bis in den 1950er Jahren die erste Silizium-Solarzelle mit brauchbarem Wirkungsgrad und Spannung gebaut wurde. Während sie zunächst vor allem in der Raumfahrt eingesetzt wurden, sind Solarzellen inzwischen zu einem wichtigen Bestandteil der Stromerzeugung geworden.
Aber wie funktioniert der photovoltaische Effekt? Wie man sich angesichts der langen Zeit, die für die Entwicklung der ersten Solarzellen benötigt wurde, wahrscheinlich denken kann, ist es nicht so einfach zu erklären. Was wir als photovoltaischen Effekt kennen, ist eigentlich eine Kombination aus mehreren physikalischen Effekten und Prozessen. Die Details können bei den verschiedenen Arten von Solarzellen unterschiedlich sein, aber im Allgemeinen müssen für den photovoltaischen Effekt zwei Dinge geschehen:
- Erzeugung von Ladungsträgern:
Aufgrund des photoelektrischen Effekts werden im Material freie Ladungsträger erzeugt. - Ladungstrennung und -sammlung:
Positive und negative Ladungen müssen getrennt und an den Kontakten gesammelt werden, zwischen denen wir dann eine Spannung beobachten können.
Die folgende Abbildung zeigt eine stark vereinfachte Darstellung dieser Vorgänge, ohne jedoch zu erklären, was den Prozess der Ladungstrennung antreibt:
Die Trennung von Ladungen ist kein Prozess, der von selbst abläuft. Normalerweise kommt es nach einiger Zeit zu einer Rekombination der erzeugten Ladungsträger. Ursache für ihre Trennung sind materialspezifische elektrochemische Eigenschaften, die beim Bau photoelektrischer Geräte gezielt kombiniert werden. Diese Eigenschaften bestimmen auch die maximal erreichbare Spannung.
Eine typische Spannung für klassische Siliziumsolarzellen beträgt 0,6 V. Höhere Spannungen lassen sich durch eine Reihenschaltung mehrerer Zellen erreichen. Wie der photovoltaische Effekt in klassischen Fotodioden und Solarzellen im Detail funktioniert, ist jedoch ein Thema für einen anderen Blogartikel.
