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.