Was hat Photovoltaik mit Einsteins Theorie des photoelektrischen Effekts zu tun?

Die Solarenergie wird als die Energiequelle der Zukunft angesehen. Die bestehenden und neu entstehenden Technologien, die das Sonnenlicht zur Stromerzeugung nutzen, gelten als die sauberste verfügbare erneuerbare Energiequelle, was von der wissenschaftlichen Gemeinschaft weitgehend anerkannt wird. Vor allem aber ist sie eine potenzielle Lösung für die anhaltenden Umweltprobleme, die durch die Übernutzung der natürlichen Ressourcen der Erde und den hohen Verbrauch an fossilen Brennstoffen verursacht werden.

Obwohl der Klimawandel eines der kritischsten Probleme ist, mit denen die Menschheit derzeit konfrontiert ist, ist die Leugnung des breiten wissenschaftlichen Konsenses, dass menschliche Aktivitäten die Hauptursache für die globale Erwärmung sind, ein gesellschaftliches Phänomen, das angegangen werden muss. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, ist es daher wichtig, grüne Energie zu fördern und diejenigen zu loben, die ihr Leben der Suche nach Lösungen gewidmet haben, welche die Welt verändert haben.

Was ist Licht und was ist daran so besonders?

Albert Einstein ist berühmt dafür, dass er die Physik mit seiner Relativitätstheorie revolutioniert hat. Aber Einstein hat auch die Wissenschaft hinter der Solartechnologie entdeckt, die heute die Art und Weise unserer Energieerzeugung revolutioniert. Tatsächlich erhielt Einstein seinen Nobelpreis nicht für seine berühmte Gleichung E=MC2, sondern für die bahnbrechende Lichttheorie, die er zur Erklärung des so genannten photoelektrischen Effekts entwickelte. Und der photoelektrische Effekt ist zufällig der wissenschaftliche Prozess, der es ermöglicht, Sonnenlicht in eine kostenlose, saubere und erneuerbare Energiequelle zu verwandeln.

"Wir können unsere Probleme nicht mit demselben Denken lösen, mit dem wir sie geschaffen haben." 

Albert Einstein ist nicht nur einer der meistzitierten Menschen aller Zeiten, sondern hat auch viel zur Wissenschaft beigetragen, die der heutigen Solarenergierevolution zugrunde liegt. Entgegen der landläufigen Meinung hat er nie einen Nobelpreis für seine Relativitätstheorie erhalten. Es war die Erklärung des photoelektrischen Effekts, die ihm die prestigeträchtige Auszeichnung einbrachte. Einstein argumentierte, dass Licht aus winzigen Energiepaketen, den so genannten Photonen, besteht, und diese Idee macht es möglich, dass die heutigen Solarzellen überhaupt funktionieren.

Obwohl es buchstäblich eines Einsteins bedurfte, um die Wissenschaft der Solarenergie zu erklären, wurde die Fähigkeit der Sonne, Elektrizität zu erzeugen, bereits vierzig Jahre vor Alberts Geburt von einem Teenager entdeckt! Im Jahr 1839 setzte ein 19-jähriger französischer Forscher namens Edmond Becquerel eine leitende Lösung mit Metallelektroden dem Sonnenlicht aus. Aus irgendeinem seltsamen Grund wurde ein kleiner elektrischer Strom erzeugt. So faszinierend es auch war, niemand konnte erklären, wie Becquerels Apparat funktionierte, und er erzeugte zu wenig Energie, um mehr als eine interessante Neuheit zu sein. Erst fast 50 Jahre später, im Jahr 1887, entdeckte der Physiker Heinrich Hertz den Photoeffekt, und die Wissenschaftler erhielten einen Einblick in den zugrunde liegenden Prozess. Doch die Erkenntnisse von Hertz waren ebenso beunruhigend wie aufschlussreich.

Der photoelektrische Effekt.

Hertz entdeckte, dass eine Metalloberfläche, wenn sie mit Licht einer ausreichend hohen Frequenz bestrahlt wird, Elektronen aussendet, die durch die Energie des Lichts aus den Atomen, die sie umkreisen, "herausgeschlagen" werden. Bis Einstein auftauchte, konnte sich jedoch niemand einen Reim darauf machen, was manchmal geschah, wenn Hertz die Versuchsbedingungen veränderte.

Damals galt die Theorie als gesichert, dass sich das Licht als kontinuierliche elektromagnetische Welle ausbreitet. Da die Energie des Lichts in einem ununterbrochenen Fluss übertragen wurde, sollte eine Erhöhung der Lichtintensität oder der Zeit, in der das Licht auf das Metall traf, den leichten Energieschub bewirken, der für die Aufgabe erforderlich war, ohne die Frequenz zu erhöhen, selbst wenn die Frequenz ein wenig zu niedrig war, um die Elektronen sofort zu lösen.

Das Problem war, dass weder die Intensität des Lichts noch die Dauer der Belichtung des Metalls eine Rolle spielten. Wenn das Licht oberhalb einer bestimmten Frequenz lag, wurden Elektronen emittiert, sobald es auf das Metall traf. War die Frequenz jedoch auch nur einen Bruchteil zu niedrig, konnte man aus irgendeinem Grund nie das bisschen zusätzliche Energie aufbringen, das nötig war, um auch nur ein einziges Elektron freizusetzen, egal wie lange man das Metall bestrahlte oder wie viel intensiver man das Licht machte.

Einstein entdeckt die Photonen.

Im Jahr 1905 erschütterte Einstein den wissenschaftlichen Konsens, indem er zeigte, dass die Daten von Hertz bedeuten, dass Licht nicht einfach eine kontinuierliche Welle ist. Stattdessen besteht das Licht, obwohl es in gewisser Hinsicht einer Welle ähnelt, aus einer Reihe von einzelnen, sich bewegenden Teilchen, den Photonen.

Wenn Licht auf eine Metalloberfläche trifft, reicht die Energie des ersten Photons, das auf ein Elektron trifft, entweder aus, um es freizuschlagen oder nicht. Ist dies der Fall, wird das Elektron sofort von der Metalloberfläche abgestoßen. Es kann jedoch immer nur ein Photon auf ein Elektron treffen. Wenn also die Energie des ersten Photons auch nur geringfügig unter dem Wert liegt, der für die Freisetzung des Elektrons erforderlich ist, hilft es nicht, ein weiteres Photon auf das Elektron auftreffen zu lassen, es sei denn, man gibt ihm genug Energie, um das Elektron ganz von selbst freizusetzen, indem man die Frequenz des Lichts anhebt.

Die Erhöhung der Lichtintensität bedeutet lediglich, dass in einem bestimmten Zeitraum mehr Photonen auftreffen, die jeweils zu wenig Energie haben, um das Elektron freizuschlagen. Würde man das Licht länger auf das Metall treffen lassen, würde sich die Zahl der Photonen mit zu geringer Energie, die nutzlos auf das Elektron treffen, ebenfalls nur erhöhen.

Einstein zeigte, dass Licht sowohl eine Welle als auch ein Teilchen ist, und, was noch wichtiger ist, die komplexe mathematische Beziehung zwischen seiner Frequenz (als Welle) und der Energiemenge, die von seinen Photonen (als Teilchen) getragen wird. Das präzise wissenschaftliche Verständnis, das Einstein uns vermittelte, half schließlich den Ingenieuren bei der Entwicklung der Solarzellen, die immer mehr Menschen täglich nutzen. Sie maximieren und kanalisieren effizient die durch den Photoeffekt erzeugte Energie und schaffen so eine saubere, erneuerbare und kostenlose Energiequelle für Ihr Zuhause.

Energie von der Sonne.

Die Sonne erzeugt Energie durch Kernreaktionen, die in ihrem dichten, heißen Kern ablaufen. 382,8 Billionen Billionen (3,828 x 1026) Watt elektromagnetischer Strahlung (Williams 2018), vor allem in Form von sichtbarem Licht, Infrarot und Ultraviolett, werden erzeugt. Mit zunehmender Entfernung von der Sonne nimmt die Intensität, also die Leistung pro Flächeneinheit, mit dem Quadrat der Entfernung ab

Die Solarkonstante ist die durchschnittliche Intensität der Sonnenstrahlung in einer Entfernung von 1 Astronomischen Einheit (die durchschnittliche Entfernung der Erde von der Sonne). Sie hat einen Wert von 1.361 Watt pro Quadratmeter (W/m2). In der Tat ist die Leistung der Sonne variabel und schwankt um 0,1 % um diesen Wert.

Die Gesamtenergie, die in einer Stunde auf die Erde trifft (in Wattstunden), beträgt
- Sonnenkonstante x Fläche der erdgroßen Scheibe
- 1 361 W/m2 x 1,2748 x 1014 m2 = 1,73 x 1017 Wattstunden.

Dies wird oft als 173.000 Terawattstunden (TWh) ausgedrückt, wobei 1 Terawatt 1 Billion (1.000.000.000.000) Watt ist.

Der Gesamtenergieverbrauch der Menschheit im Jahr 2017 liegt mit 160.000 TWh etwas unter diesem Wert. Diese Zahl umfasst nicht nur die Energie, die zur Stromerzeugung verwendet wird, sondern auch die Energie, die:
- direkt zum Heizen (zum Beispiel durch Verbrennung von Brennholz, Kohle, Öl oder Gas),
- für den Verkehr (hauptsächlich Benzin, Diesel und Flugbenzin) und
- Energie, die in industriellen Prozessen verwendet wird.

Die Gesamtmenge der im Jahr 2017 verbrauchten Elektrizität betrug etwa 22.000 TWh.

Das Potenzial der Solarenergie.

Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten, Strom aus Sonnenlicht zu erzeugen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Sonnenenergie mit Hilfe von Spiegeln auf eine kleine Fläche zu konzentrieren und die dabei entstehende Wärme zur Erzeugung von Dampf zu nutzen, der eine Turbine zur Stromerzeugung antreibt. Die andere Möglichkeit ist die Verwendung von Photovoltaikzellen (besser bekannt als Solarzellen), um Strom direkt aus Sonnenlicht zu erzeugen. Der Topaz-Solarpark in Kalifornien erstreckt sich über eine Fläche von 19 km2 (die nicht vollständig mit Sonnenkollektoren bedeckt ist) und erzeugt jährlich etwa 1,25 TWh Strom.

Der größte Teil des Solarstroms wird mit Sonnenkollektoren erzeugt. Ein Großteil davon wird in Solarparks wie dem oben gezeigten in Kalifornien erzeugt. Da die Preise für Solarmodule weiter sinken und ihr Wirkungsgrad steigt, wird die Menge des auf diese Weise erzeugten Stroms weiter zunehmen.

Das Wachstum der Solarenergie.

Ein Vorteil der Solarenergie gegenüber anderen Formen grüner Energie besteht darin, dass sie aufgrund der enormen Energiemenge, die von der Sonne auf die Erde trifft, über ein nahezu unbegrenztes Potenzial verfügt. Wenn die Probleme der Verteilung und Speicherung überwunden werden könnten, müsste nur ein kleiner Teil der Erdoberfläche mit Sonnenkollektoren bedeckt werden, um den gesamten Energiebedarf der Menschheit zu decken.

Um die Größe dieser Fläche zu berechnen, müssen wir zunächst die Menge der Sonneneinstrahlung betrachten, die tatsächlich die Erdoberfläche erreicht. Die Solarkonstante beträgt zwar 1.361 W/m2, aber das ist die Intensität der Strahlung, die auf die Erdoberfläche trifft. Selbst an einem wolkenlosen Tag erreicht nicht die gesamte Strahlung den Boden; ein Teil wird in den Weltraum zurückreflektiert, ein anderer Teil wird von der Atmosphäre absorbiert.

An einem wolkenlosen Tag, wenn die Sonne direkt über der Erde steht, beträgt die Intensität der Strahlung, die direkt von der Sonne auf den Boden trifft, etwa 1.050 W/m2, dazu kommen weitere 70 W/m2 vom strahlend blauen Himmel, also insgesamt 1.120 W/m2. Bei Bewölkung ist dieser Wert niedriger.

Tatsächlich kann die Sonne nur in den Tropen direkt über dem Himmel stehen. Die Intensität der Sonnenstrahlung ist geringer, wenn die Sonne tiefer am Himmel steht, weil sich ihre Strahlen über eine größere Fläche verteilen und weil sie mehr Atmosphäre durchqueren müssen, bevor sie auf den Boden treffen. Nachts, wenn die Sonne unter dem Horizont steht, ist die Sonnenintensität eindeutig gleich Null.

Im Durchschnitt über einen ganzen 24-Stunden-Zyklus beträgt die auf die Erdoberfläche auftreffende Sonnenstrahlung (die so genannte solare Bestrahlungsstärke) an einem klaren Tag am Äquator zur Tagundnachtgleiche etwa 340 W/m2. Die effizientesten auf dem Markt erhältlichen Sonnenkollektoren wandeln etwa 22 % der Sonneneinstrahlung in elektrische Energie um. Das bedeutet, dass im Durchschnitt über einen gesamten 24-Stunden-Zyklus 73 W/m2, d. h. etwa 5 % der Solarkonstante, elektrische Energie erzeugt werden könnte. In höheren Breitengraden steht die Sonne tiefer am Himmel, so dass die Menge an elektrischer Energie, die durch die Sonne erzeugt werden kann, geringer ist. Die Menge der Sonnenenergie wird durch die Bewölkung verringert. Im bewölkten Nordwesten Schottlands beispielsweise beträgt die Sonneneinstrahlung im Jahresdurchschnitt nur 72 W/m2, etwa ein Fünftel des Wertes am Äquator.

Über 12 Monate und alle Orte auf der Erdoberfläche gemittelt, beträgt die durchschnittliche Sonneneinstrahlung 170 W/m2. Das bedeutet, dass wir 586.000 km² der Erdoberfläche mit Sonnenkollektoren bedecken müssten, um den gesamten Energiebedarf der Welt zu decken - eine Fläche, die etwa 15 % größer ist als Spanien. Diese Zahl ist relativ klein, nur 0,11 % der Erdoberfläche. Das Hauptproblem besteht jedoch darin, dass die Länder, welche die meiste Sonnenenergie erzeugen könnten (insbesondere die Länder in Afrika), tatsächlich einen bescheidenen Energieverbrauch haben, während viele dicht besiedelte Länder, insbesondere in Nordeuropa, einen hohen Energieverbrauch haben und relativ wenig Sonnenlicht erhalten.

Im Vereinigten Königreich beispielsweise, das eine kleine Fläche hat, im Vergleich zum Weltdurchschnitt relativ wenig Sonnenlicht erhält und dicht besiedelt ist und einen hohen Energieverbrauch hat, müssten wir etwa 5,2 % seiner Fläche mit Sonnenkollektoren bedecken. Tatsächlich ist diese Berechnung eine grobe Vereinfachung, da sie die großen Unterschiede zwischen der Strahlungsmenge in den Sommer- und Wintermonaten außer Acht lässt. Damit dies funktioniert, müsste die überschüssige Energie, die in den sonnigen Monaten erzeugt wird, effizient gespeichert werden, um in den Wintermonaten verbraucht zu werden, was ein gewaltiges Unterfangen ist. 

Solarenergie in kleinem Maßstab.

Zurzeit ist die Solarenergie nicht die größte erneuerbare Stromquelle. Im Jahr 2016 wurden insgesamt 5.877 TWh aus erneuerbaren Energien erzeugt. Davon wurde der größte Teil (4.023 TWh) durch Wasserkraft erzeugt, gefolgt von 960 TWh durch Windkraft. Die Solarenergie trug 333 TWh bei und die restlichen 561 TWh durch alle anderen erneuerbaren Energien zusammen.

Wie streng ist Velofahren bei 700 Watt Leistung?

Ein klarer Vorteil der Solarenergie ist die Möglichkeit, Strom in kleinem Maßstab zu erzeugen. Ein einziges, vier Meter großes Paneel, das an eine wiederaufladbare Batterie angeschlossen ist, könnte genug Sonnenenergie für die Beleuchtung und das Kochen einer Familie in Afrika erzeugen und speichern. Solarmodule haben keine beweglichen Teile und sollten, einmal gekauft, jahrzehntelang funktionieren. Diese Fähigkeit, Strom in kleinem Maßstab zu erzeugen, könnte das Leben einiger der ärmsten Menschen der Welt verändern und die Energieknappheit der westlichen Länder lösen.