Die Solarzelle
Halbleiter
Halbleiter
sind Stoffe, die zwar elektrischen Strom leiten, wenn auch schlechter als
Metalle. Doch die Leitfähigkeit von Halbleitern ist nicht konstant, sondern
verbessert sich durch Energiezufuhr (d.h. Wärme oder Licht).
Silicium ist
ein Halbleiter. Es steht in der 4. Hauptgruppe des Periodensystems und hat somit
vier Außenelektronen. Das Silicium bildet ein Atomgitter, in dem jedes
Außenelelektron mit dem Nachbaratom ein Elektronenpaar bildet. Dieses
Atomgitter ist bei Dunkelheit oder tiefen Temperaturen unbeweglich, d.h. die
Elektronen sind fest gebunden und der Halbleiter leitet nicht. In diesem
Zustand kann der Halbleiter auch als Isolator verwendet werden. Wird nun Silicium erwärmt oder erleuchtet, d.h. Energie zugeführt, so
werden die einzelnen Elektronen aus ihren festen Bindungen „gestoßen“. Diese
Elektronen sind nun frei beweglich und stehen für den Leitvorgang zur
Verfügung. Dort wo die Außenelektronen aus dem Gitter gerissen werden, entsteht
ein Loch. An dieser Stelle fehlt die
vorherige negative Ladung des Elektrons, weshalb man das Loch auch als positiv
geladen ansehen könnte.
Wird nun eine
Spannung an den Halbleiter angelegt, so bewegen sich die negativ geladenen
Elektronen zum Pluspol, was als Elektronenstrom
oder auch n-Leitung bezeichnet wird. Die positiv geladenen Löcher sind in
der Lage, Elektronen aus einer Nachbarbindung „einzufangen“. Dadurch entsteht
dort, wo das Elektron entwendet wurde, ein neues Loch. Das System funktioniert
wie „Mein rechter, rechter Platz ist frei“. Durch diesen Vorgang bewegen sich
die Löcher immer weiter zum Minuspol, was als Löcherstrom oder auch p-Leitung bezeichnet wird.
Dotieren
Man kann die
Leitfähigkeit von Silicium vergrößern, indem man jedes Millionenste
Siliciumatom durch ein fremdes Atom aus einer anderen Gruppe des
Periodensystems ersetzt. Diese Fremdatome haben entweder ein Außenelektron mehr
oder eines weniger als ein Siliciumatom. Dieser Vorgang wird als Dotieren bezeichnet.
Dotiert man
nun Silicium mit Arsen, welches in der 5. Hauptgruppe des Periodensystems steht
und somit fünf Außenelektronen hat, so werden vier der fünf Außenelektronen des
Arsens fest in das Siliciumgitter eingebunden. Das
übrig gebliebene fünfte Elektron steht für den Elektronenstrom zur Verfügung. Da
die freien, negativ geladenen Elektronen in der Überzahl sind, wird der
Halbleiter als n-dotiert bezeichnet.
Dotiert man
Silicium nun mit einem Element, welches nur drei Außenelektronen hat und damit
in der 3. Hauptgruppe steht, wie z.B. Indium,
können auch nur die drei Außenelektronen des Indiumatoms eine
Elektronenpaarbindung mit den Siliciumatomen im
Gitter eingehen. Dadurch fehlt einem benachbarten Siliciumelektron
ein Bindungspartner. Es entsteht ein Loch. Der Löcherstrom wird erhöht und der
Halbleiter als p-dotiert bezeichnet.
In beiden
Fällen wurde die Leitfähigkeit vergrößert.
Halbleiterdioden
Halbleiterdioden
sind Halbleiter, deren eine Schicht n-dotiert und die andere p-dotiert ist und
an die eine Spannung angeschlossen ist. In dem Bereich, in dem p- und n-
Schicht aufeinander treffen, füllen die freien Elektronen der n-Schicht die
Löcher der p-Schicht auf. Dieses Gebiet ist nun neutral und wird Sperrschicht genannt.
Abhängig von
der Polung kann die Diode elektrischen Strom leiten oder sperren. Die Solarzelle ist eine Diode.
Durchlassrichtung
Ist der
Pluspol der Spannungsquelle am p-dotierten Bereich der Diode angebracht und der
Minuspol am n-dotierten Bereich, so wandern die freien Elektronen, die vom
Pluspol auf der anderen Seite angezogen worden, durch die Sperrschicht zum
positiven Pol. Dadurch werden gleichzeitig die positiven Löcher durch die
p-Schicht zum Minuspol getrieben. Die Elektronen und damit der elektrische
Strom können nur in einer Richtung durch die Diode fließen.
Sperrrichtung
Ist die Diode
in Sperrrichtung geschaltet, so liegt der Pluspol am
n-dotierten Bereich und der Minuspol am p-dotierten
Bereich. Die Elektronen der n-Schicht wandern jetzt also nicht durch die
Sperrschicht, sondern in entgegen gesetzter Richtung zum angelegten Pluspol. Vom
Minuspol der Spannungsquelle ausgehende Elektronen besetzen die Löcher in der
p-Schicht, wodurch sich die positiv geladenen Löcher zum Minuspol hinverlagern.
Insgesamt wird die Sperrschicht größer und kein Strom kann durch die Diode
fließen.
Die Solarzelle
Die
Solarzelle ist eine in Sperrrichtung geschaltete Halbleiterdiode aus dotiertem
Silicium. Die vom Licht abgewandte Seite ist p-dotiert, besitzt also einen
Löcherüberschuss, während die etwa 0,002 mm dicke n-dotierte Seite an der Sonne
liegt. Die n-Schicht ist so dünn, damit das Licht möglichst ungehindert bis zur
Sperrschicht vordringen kann. Die Photonen des Lichtes stoßen nämlich in der
Sperrschicht die Elektronen aus ihren Löchern. Die dadurch wieder freigesetzten
Elektronen werden vom positiven Pol an der n-Schicht angezogen, die Löcher vom
negativen Pol an der p-Schicht. Die Anhäufung von Elektronen und Löchern an den
jeweiligen entgegen gesetzten Polen bewirkt, dass der Pluspol durch die
Überfüllung von Elektronen minus geladen wird und der Minuspol durch positiv
geladene Löcher eine positive Ladung erhält. An die Plus- und Minuspole wird
nun ein elektrischer Stromkreis angeschlossen. Die gesammelten Elektronen der
n-Schicht können so durch den Stromkreis zum nun positiven Pol gelangen und
füllen dort die Löcher, ohne vorher die Sperrschicht durchqueren zu müssen. Die
Auffüllung der Löcher bewirkt natürlich eine Vergrößerung der Sperrschicht, in
der die Photonen des Lichtes wiederum die Elektronen aus den Löchern
„schubsen“. Die Solarzelle liefert kontinuierlich Strom.