Sonnenlicht und Strahlung

Sonnenlicht ist eine wellenförmige und elektromagnetische Strahlung, von der jedoch nur ein relativ kleines Spektrum zwischen Wellenlängen von 380 und 780 Nanometer sichtbar ist. Diese Wellenlängen werden als Farbtöne in einem Verlauf von Violett, Blau, Grün, Gelb, Orange zu Rot wahrgenommen. Das menschliche Auge reagiert am besten auf Wellenlängen um 500 nm, also im Grünbereich und etwa in der Mitte des sichtbaren Spektrums. Das Verhältnis von sichtbarer und unsichtbarer Strahlung teilt sich ungefähr in 52% sichtbare Strahlung, ca. 42% langwellige Infrarot-Strahlung und ca. 6% kurzwellige Ultraviolettstrahlung auf. Dieses Verhältnis bezieht sich auf Messungen auf Meeresniveau, ist jedoch veränderbar und abhängig von Tages- und Jahreszeit, dem Wetter, der Höhe sowie der geographischen Breite.

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Wellen, die kürzer sind als 380 nm, sind als Ultraviolettes Licht nicht mehr sichtbar, jedoch biologisch spürbar z.B. bei der Pigmentierung der Haut und bei Sonnenbrand. Noch kürzere Wellen haben Röntgenstrahlung (x-ray) sowie Gamma- und Höhenstrahlung. Die Röntgenstrahlung wurde erst 1895 von Konrad Röntgen entdeckt, Gammastrahlen erst um 1900 durch Antoine Henri Becquerel und Paul Villard.

Als photobiologisch wirksame Strahlung nach DIN 5031 wird unterschieden zwischen:

• UV-C 100 bis 280 nm
• UV-B 280 bis 315 nm
• UV-A 315 bis 380 nm
• XUV (extrem ultraviolette Strahlung) 1 nm bis 50 nm, z.B. messbar in der Weltraumforschung.

Wellen wiederum, die länger sind als 780 nm, sind als Infrarot-Strahlung ebenfalls nicht mehr sichtbar, aber als elektromagnetische Wärmestrahlung spürbar. Zu den elektromagnetischen Stahlen gehören außerdem die Mikrowellen (1 mm bis 1 m), Radar-, Fernseh- und Radiowellen, z.B. genutzt bei Sensoren und Fernbedienungen. Bei der Infrarot-Strahlung wird unterschieden zwischen:

• IR-A 780 bis 1.400 nm
• IR-B 1.400 bis 3.000 nm
• IR-C 3.000 bis 1.000.000 nm

Anorganische und organische Photovoltaik

Bereits 1839 erkannte Alexandre Edmond Becquerel, der Vater von Antoine Henri Becquerel, dass sich insbesondere das langwellige Sonnenlicht nicht nur für Wärme, sondern auch für elektrischen Strom nutzen ließ. Er gilt als der Erfinder der Photovoltaik, die zunächst nur in Kameras bei der Lichtmessung genutzt wurde. Vereinfacht ausgedrückt bewirkt die elektromagnetische Strahlung, dass Photonen auf eine Metalloberfläche treffen und Elektronen lösen - es entsteht eine elektrische Spannung. Das bekannteste Material für Solarzellen ist Silizium, das auf ein Wellenspektrum von 300 nm bis 1.400 nm reagiert. Andere Typen sind z.B. Kupfer-Indium-Sulfid und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid. Unterschieden wird zwischen monokristallinen, polykristallinen und amorphen Solarzellen, je nach Herstellung, Verarbeitung, Dicke und Wirkungsgrad.

Aktuell werden umfassende Forschungen zur Weiterentwicklung organischer Photovoltaikanlagen durchgeführt, etwa beim Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Es wird daran gearbeitet, die Wirkungsgrade der Zellen weiter zu erhöhen und die Technologie kostengünstig verfügbar zu machen. Organische Photovoltaikanlagen funktionieren mittels Kohlenwasserstoffverbindungen sowie halbtransparenten, transluzenten und biegsamen Zellen. Aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften können sie dabei in verschiedenen Bereichen Anwendung finden, etwa für Fenster oder Gewächshausgläser. Das natürliche Licht kann so für die Belichtung des Innenraums genutzt werden, während gleichzeitig Strom in der Fassade erzeugt wird. Da sie mit geringem Einsatz an Material und Energie hergestellt werden können, haben sie ein sehr hohes CO2-Einsparpotenzial.

Das Chemie- und Pharmaunternehmen Merck beschäftigt sich ebenfalls mit Forschungen bezüglich organischer Photovoltaikzellen und entwickelte für die Expo 2015 in Mailand das Projekt Solar Trees. Der Pavillon wurde 2018 auf dem Unternehmensgelände in Darmstadt wiederaufgebaut und zeigt, wie organische Photovoltaik sinnvoll eingesetzt werden kann. Die Semitransparente, textile Hülle der emporsteigenden, künstlichen "Bäume" spendet einerseits Schatten für Besuchende und ist gleichzeitig mit vielen organischen Photovoltaikzellen versehen, die die nötige Energie für den Betrieb des Pavillons erzeugen.

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