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Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Solarzelle

Schema einer kristalinen Solarzelle
Schema einer kristalinen Solarzelle

Eine Silizium-Solarzelle besteht aus einem ca. 0,3 - 0,6 mm dicken p-dotierten Si-Substrat. In dieses wurde eine nur ca. 0,001 mm dicke n-dotierte Schicht eingebracht. Die p-dotierte Schicht muss stark genug sein, um der Solarzelle mechanische Stabilität zu geben und um die tiefer eindringenden Photonen absorbieren zu können. Die n-dotierte Schicht muss so dünn sein, damit das einfallende Licht besonders in der Raumladungszone am p/n-Übergang absorbiert wird. Den Übergang zwischen p-dotierter und n-dotierter Schicht nennt man p/n-Übergang oder Sperrschicht. Bei der monokristallinen Siliziumsolarzelle wird die n-dotierte Schicht durch dotieren mit ca. 1019 Phosphor-Atomen / cm³ erzeugt. Bei einer Solarzelle ist die n-dotierte Schicht der Sonnenseite zugewandt.

Auf der Oberseite der Solarzelle ist ein Kontaktband aus Metall mit vielen kleinen Kontaktfingern (Minuspol) aufgebracht. Auf der Unterseite haftet eine durchgehende Metallschicht als Kontakt (Pluspol). Das Kontaktband und die Metallfläche bilden die elektrischen Pole der Solarzelle.

Die Eigenschaften von Silizium

Silizium (Si) hat in der Außenschale des Atoms vier Elektronen. In einer stabilen Kristallstruktur ist jedes Siliziumatom von 4 Nachbar-Si-Atomen umgeben. Der Zusammenhalt der Atome mit den entsprechenden Nachbaratomen kommt dadurch zustande, dass je ein Elektron des einen Atoms mit einem Elektron des benachbarten Atoms ein Elekronenpaar bildet.

Die regelmäßige Anordnung der Si-Atome ergibt einer gitterförmigen Struktur, die man auch Kristallgitter nennt. Im Halbleiterkristall werden alle vier Elektronen der äußersten Schale jedes Atoms zur Paarbildung benötigt. Er wäre damit nichtleitend. Dieser Zustand gilt aber nur für tiefe Temperaturen. Bei höheren Temperaturen werden einige dieser Paarbindungen aufgebrochen und Elektronen freigesetzt. Diese bilden die Grundlage der (geringen) Eigenleitung der Halbleiter. Bei Anlegen einer Spannung würde nur ein kleiner Strom fließen.

p/n Übergang und Raumladungszone

Entstehung der Raumladungszone durch Verschiebung der freien Ladungsträger
Entstehung der Raumladungszone durch Verschiebung der freien Ladungsträger

Durch das Einbringen weniger 5-wertiger Phosphoratome in das 4-wertige Silizium wird dieses n-dotiert, d.h. es ist nach außen elektrisch neutral, aber die zusätzlichen Valenzelektronen (blau - gezeichnet) sind relativ frei beweglich. Deswegen steigt die Leitfähigkeit des Materials.

Durch Einbringen weniger 3-wertiger Boratome in das 4-wertige Silizium wird dieses p-dotiert, d.h. es ist nach außen elektrisch neutral, aber die für das 4.Valenzelektron aufgehobenen positiven Löcher ( rot - gezeichnet) sind relativ frei beweglich und die Leitfähigkeit des Materials nimmt zu.

An der Grenzschicht zwischen n- und p-Schicht diffundieren die Löcher in die n-Schicht und die Elektronen in die p-Schicht und es entsteht dadurch eine von freien Ladungsträgern verarmte Raumladungszone. Durch diese Verschiebung hat das n-Gebiet positive, das p-Gebiet negative Raumladung.

Funktion der Solarzelle

Eine Solarzelle erzeugt Strom aus Lichtenergie
Eine Solarzelle erzeugt Strom aus Lichtenergie

Der eigentliche Antrieb der Solarzelle ist ihre Raumladungszone. Trifft die Lichtenergie (Photonen) in die Raumladungszone, werden die negativen Elektronen aus den positiven Löchern gerissen. Beide Ladungsträger bewegen sich entsprechend der durch die Raumladungszone aufgebauten Feldkraft. Die Elektronen zur positiven Raumladung im n-dotierten Bereich, die positiven Löcher zur negativen Raumladung im p-dotierten Bereich. Es entsteht an den Metallkontakten eine Spannung von ca. 0,5 V, die an einem Verbraucher einen elektrischen Strom erzeugt.

Je intensiver die Beleuchtung und je großflächiger die Raumladungszone ist, desto mehr Elektronen-Loch-Paare werden frei und umso größer wird dann auch die zur Verfügung stehende Stromstärke. Pro Quadratzentimeter beleuchteter Solarzellenfläche kann man mit einer Stromentnahme von etwa 20 mA rechnen.

Da nicht jedes Photon ein Elektron-Loch-Paar freisetzt und ein Elektron mit einem Loch wieder rekombinieren kann und dabei nur Wärme produziert (die Rekombination steigt mit der Betriebstemperatur), ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle begrenzt. Er liegt derzeit im Bereich von 10% - 18%.