Sowohl Solarzellen als auch Pflanzen gewinnen Energie aus Sonnenlicht. Photovoltaik-Solarzellen sammeln Sonnenlicht und wandeln es in Strom um. Pflanzenblätter sammeln Sonnenlicht und wandeln es in gespeicherte chemische Energie um. Sowohl Solarzellen als auch Anlagen leisten die gleiche Arbeit, aber sie tun es auf unterschiedliche Weise. Es gibt jedoch Ähnlichkeiten zwischen den beiden Ansätzen. Ein Solarzellentyp ist sogar so konzipiert, dass er der Photosynthese möglichst ähnlich ist.
Energie aus Licht
Die Energie im Sonnenlicht kommt als kleine Pakete, die Photonen genannt werden. Photonen tragen jeweils ein kleines bisschen Energie. Die Energie eines blauen Photons ist höher als die Energie eines roten Photons. Das ist wichtig, denn sowohl Solarzellen als auch Pflanzen können nur dann Sonnenlicht absorbieren, wenn die Energie stimmt. Wenn ein Material Sonnenlicht absorbiert, übertragen die Photonen im Licht ihre Energie auf Elektronen im Material. Elektronen können nur in einem engen Bereich Energie absorbieren, sodass ein bestimmtes Elektron nur Energie von Photonen bestimmter Farben im Lichtspektrum aufnehmen kann.
Die richtige Photonenenergie
Sowohl Photovoltaik- als auch Photosynthese-Anlagen sind darauf ausgerichtet, Photonen zu absorbieren. Bei der Photosynthese hat die Evolution Chlorophyll hervorgebracht, ein Molekül, das das hellste Sonnenlicht absorbiert. Für die Photovoltaik haben Ingenieure Kristalle entwickelt, in denen die Elektronen genau die Energiemenge nutzen können, die in den Sonnenlichtphotonen enthalten ist. In beiden Fällen werden Photonen von Elektronen absorbiert, die die zusätzliche Energie aufnehmen. Ein Elektron mit zusätzlicher Energie wird als angeregtes Elektron oder Elektron in einem angeregten Zustand bezeichnet.
Umgang mit angeregten Elektronen
Sowohl Pflanzen- als auch Solarzellen müssen mit angeregten Elektronen schnell umgehen, bevor sie ihre Energie abgeben und dorthin zurückkehren, wo sie waren, bevor sie ihre Photonen absorbiert haben. Bei der Photosynthese wird das Problem gelöst, indem das Elektron von einem Molekül zum anderen bewegt wird, bis es sich in einem Molekül festsetzt, das lange Zeit Energie speichern kann. In der Photovoltaik werden die angeregten Elektronen in einen Stromkreis geschleudert, wo sie entweder sofort etwas zum Laufen bringen oder zur Speicherung in eine Batterie geleitet werden.
Farbstoffsensibilisierte Zellen
Es gibt eine nicht standardmäßige Art von Photovoltaikzelle, die versucht, die Funktionsweise der Photosynthese zu kopieren. Anstatt ein Elektron so schnell wie möglich durch einen Kristall identischer Atome zu bewegen, ist die farbstoffsensibilisierte Solarzelle absorbiert Energie in einem Farbstoffmolekül und überträgt dann das angeregte Elektron auf ein anderes Material, das sich neben dem Farbstoff befindet Molekül. Das verhindert, dass das Elektron seine Energie nutzlos verlieren kann. Wenn es an einen Stromkreis angeschlossen ist, bahnt sich das Elektron seinen Weg durch das zweite Material, ohne zu viel Energie zu verlieren.
