Aufbau der Solarzelle

Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken. Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial dotiert. Das bedeutet, dass das Halbleitermaterial gezielt mit anderen chemischen Elementen verunreinigt wird, um definierte Schichten zu erhalten. Man unterscheidet p-Halbleiter und n-Halbleiter.

p-Halbleiter

Einen p-Halbleiter erhält man, indem man dem Silizium ein dreiwertiges Element, z. B. Bor, hinzufügt. Das Boratom kann nur mit drei benachbarten Atomen eine Verbindung eingehen, was zur Folge hat, dass die vierte Bindung offen bleibt und so eine Vielzahl von Löchern (positive Ladungsträger) entstehen. Somit wird die Leitfähigkeit des Bauteils erhöht.

n-Halbleiter

Einen n-Halbleiter erhält man, indem man dem Silizium ein fünfwertiges Element, z. B. Phosphor, hinzufügt. Das Phosphoratom hat fünf Elektronen auf der äußeren Schale, die mit den Siliziumatomen eine Bindung eingehen wollen. Es stehen jedoch nur vier benachbarte Siliziumatome zur Verfügung, woraus folglich ein freies Elektron übrig bleibt. In diesem Fall erhält man einen Elektronenüberschuss. Dadurch wird die Leitfähigkeit des Bauteils erhöht.

Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten zusammengefügt, entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter p-n-Übergang. An diesem p-n-Übergang bildet sich ein elektrisches Feld, das die durch Energiezufuhr freigesetzten Ladungsträger trennt. Diese können über Metallkontakte abgegriffen und an einen elektrischen Verbraucher angeschlossen werden. Es fließt ein Gleichstrom.

Funktionsweise der Solarzelle

Um die Funktion einer Solarzelle zu verstehen, muss man sich die Wirkungsweise eines p-nÜbergangs mit Raumladungszone vor Augen halten.

Kontaktiert man einen n-Halbleiter mit einem p-Halbleiter, so stoßen Bereiche mit hoher Elektronenund hoher Lochkonzentration aneinander. Da diese das Bestreben haben sich auszugleichen, diffundieren Elektronen als Minoritätsladungsträger in das p-Gebiet und Löcher (positive Ladungsträger) ebenfalls als Minoritätsladungsträger in das n-Gebiet. Das Resultat dieses Vorgangs ist ein sich aufbauendes elektrisches Feld, das der Diffusion entgegenwirkt und sie schließlich zum Stillstand bringt.

Schließt man diese Anordnung nun an einen elektrischen Verbraucher, so fließt noch kein Strom. Wird dem p-n-Übergang jedoch Energie (Licht) zugeführt, so tritt die sogenannte Photospannung auf. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass der p-n-Übergang möglichst dicht unter der Oberfläche angeordnet ist, so dass die Strahlung verlustfrei eindringen kann.

Durch das absorbierte Licht werden in unmittelbarer Nähe der Raumladungszone Elektronen- Lochpaare gebildet. Die Minoritätsladungsträger werden nun am Rand der Raumladungszone von dem elektrischen Feld abgesaugt, was zur Folge hat, dass die Elektronen zur n-Schicht und die Löcher zur p-Schicht wandern. Die so entstandene Photospannung verursacht einen dem Widerstand entsprechenden Photostrom