Elementary steps of energy conversion


Ernte und Nutzung von Energie stellt immer eine Kette von aufeinander folgenden Umwandlungsprozessen dar. In einem Halbleiter führt z.B. die Absorption eines Photons zunächst zur Bildung eines Elektron-Loch Paares. Dieser "Ernteprozess" der Photonen resultiert also in Elektronen und Löcher mit einer höheren Energie als im thermischen Gleichgewicht. Sich selbst überlassen, kehrt das System in den Gleichgewichtszustand zurück. Die mikroskopischen Mechanismen dazu sind z.B. unelastische Elektron-Elektron- oder Elektron-Gitter-Stöße.
Obgleich diese mikroskopischen Mechanismen unterschiedlich sind, so ist ihre Wirkung doch die gleiche: Die ursprünglich in Form von hochenergetischen Elektronen und Löchern "zwischengespeicherte" Energie wird über den ganzen Festkörper in Form von Wärme verteilt. Unterschiedliche mikroskopische Mechanismen, die zur Dissipation führen, werden daher auch als "Dissipationskanäle" bezeichnet.
Um nun die zwischengespeicherte Energie in eine nutzbare Form zu überführen, ist ein weiterer Konversionsschritt erforderlich. In einer konventionellen Solarzelle findet dieser Schritt im Bereich des pn-Kontaktes statt, wo das, durch die unterschiedliche Dotierung, generierte elektrische Feld Löcher und Elektronen räumlich trennt. Es entsteht eine elektrische Spannung bzw. eine nutzbare elektrische Leistung. Project B02
Alternativ können die hochenergetischen Elektronen und Löcher aber auch für chemische Reaktionen genutzt werden. Bei einer freiwillig ablaufenden Reaktion nimmt die freie Enthalpie ab. Diese Abnahme kann als Arbeit genutzt werden. Wird die Umkehrreaktion, z.B. durch eine elektrische Spannung getrieben, so nimmt die freie Enthalpie zu, Arbeit wird also gespeichert.
Ein typisches Beispiel für diesen Speicher/Freisetzungszyklus ist die Spaltung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Optisch angeregte Elektronen können den Wasserstoff im Wasser zu H2 reduzieren, die erzeugten Löcher den enthaltenen Sauerstoff zu O2 oxidieren. Projects C01 and C02