Wie funktioniert eine Solarzelle?

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Physikalische Grundlagen der Physik
2.1 Halbleiter
2.2 Silizium
2.3 Dotierung
2.4 Diffusion

3 Photovoltaik-Anlage

4 Photovoltaischer Effekt

5 Sperr- und Durchlassrichtung der Halbleiterdiode

6 Prämissen für die Umwandlung

7 Stand der Technik

8 Einsatzmöglichkeiten

9 Fazit

Photovoltaik

1 Einleitung

„Probleme wie die globale Erwärmung oder Umweltverschmutzung lassen die Forderung nach umweltschonenden Energiequellen laut werden. Dazu zählt auch die Photovoltaik – Energiegewinnung aus Sonnenlicht.“^[1]

Ein immer größer werdendes Problem auf unserer Erde ist heutzutage die Veränderung des Klimas und die Erschöpfung fossiler Brennstoffe wie zum Beispiel Kohle, Erdöl und Erdgas. Daher ist es umso wichtiger, dass man nicht nur jene fossilen Brennstoffe einsetzt, die ohnehin nur in bestimmten Mengen auf der Erde vorhanden und dazu noch umweltbelastend sind, sondern auch von regenerativen Energiequellen Gebrauch macht, die idealerweise einen hohen Wirkungsgrad erzielen und dabei schonend zur Umwelt sind. Jene regenerative Energiequelle stellt die Photovoltaik-Anlage dar, welches die Hauptaufgabe hat, die Sonneneinstrahlung direkt in elektrische Energie beziehungsweise in Strom umzuwandeln. Vorteilhaft dabei ist, dass keine mechanischen Teile für die Umwandlung gebraucht werden, sodass alles beinahe ohne Verschleiß verläuft. Dazu ist die Energie beziehungsweise die Sonnenenergie unbegrenzt verfügbar und bietet dem Verbraucher kostenlosen Strom zur Verfügung.

2 Physikalische Grundlagen der Photovoltaik

Unter Photovoltaik versteht man die unmittelbare Umwandlung von Strahlungsenergie, insbesondere Sonnenenergie, in elektrische Energie (Gleichstrom) mithilfe von Solarzellen. Der Begriff Photovoltaik setzt sich aus zwei Begriffen zusammen; Zum einen aus dem Griechischen kommende Wort „Photo“ (=Licht), zum andern aus „Volt“, welches die Maßeinheit für elektrische Spannung ist und nach dem Physiker Alessandro Volta benannt wurde. Um verstehen zu können, was genau in einer Solarzelle passiert beziehungsweise wie eine Solarzelle genau funktioniert, müssen wir ein wenig ausholen:

2.1 Halbleiter

Solarzellen bestehen in der Regel aus Halbleiter; Halbleiter sind Stoffe, die im Gegensatz zu Metallen nur unter bestimmten Umständen elektrisch leitfähig sind. Die Leitfähigkeit jener Halbleiter ist umso größer, je mehr Energie in Form von Licht oder Wärme beziehungsweise je mehr Photonen (= „Lichtteilchen“) auf die Solarzelle eintreffen. Nun fragt man sich, ob es auch sinnvoll ist, anstatt Halbleiter Metalle wie zum Beispiel Kupfer zu verwenden, jedoch wäre die Benutzung von Metallen für Solarzellen nicht sinnvoll, da bei Erhitzung der Metalle sich der elektrische Widerstand erhöht und somit die Elektronenbewegung so gestört wird, dass bei zunehmender Temperatur kein Strom mehr fließen kann. Daher ist es ideal, Solarzellen aus Halbleitern herzustellen und nicht aus Metallen.

2.2 Silizium

Eine herkömmliche Silizium-Solarzelle besteht aus einer ungefähr 10-3 mm dicken n-Schicht, die mit der ungefähr 0,6 mm dicken p-Schicht in Kontakt gebracht wird. Der Übergang, der dadurch entsteht, wird p-n-Übergang genannt, auf den ich später noch ausführlich eingehen werde.

Wie wir jetzt wissen, gewinnt unser Stoff unter Energiezufuhr an Leitfähigkeit, doch wie lässt sich das erklären? Um das verständlich und anschaulich darzustellen, nehme ich als Beispiel das Element Silizium; Silizium ist das zweithäufigste Element der Erdrinde und ist daher in ausreichenenden Mengen vorhanden. Das ist auch der Grund, warum 90 Prozent aller Halbleiter aus Silizium bestehen. Im Kern eines Silizium-Atoms befinden sich vierzehn Protonen, das heißt also, dass im ungeladenen Zustand sich vierzehn Elektronen auf der Elektronenhülle befinden, davon vier Außenelektronen, welche sich wiederum auf der äußeren Hülle befinden. Jene äußere Hülle nennt man daher auch Valenzband. Lediglich die Außenelektronen sind in der Lage, sich vom Silizium-Atom zu lösen, wobei die anderen zehn Elektronen auf der Atomhülle dies nicht können. Viele Silizium-Atome in Verbindung bilden zusammen einen Silizium-Kristall (siehe Abb. 1); darin geht jedes Außenelektron mit einem Außenelektron aus einem anderen Silizium-Atom eine Bindung ein. Einzelne Außenelektronen können sich schon bei Zimmertemperatur aus ihrer Gitterbindung loslösen: Sobald sich nun die Valenzelektronen vom Valenzband lösen, so befinden sie sich im sogenannten Leitungsband, wo sie sich frei bewegen können. Durch die „Sprünge“ der Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband entsteht eine sogenannte Eigenleitung, die zum Stromfluss führt, sobald eine Spannung angelegt ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Silizium-Kristallgitter

2.3 Dotierung

Allerdings wären bei einer Solarzelle, die lediglich aus Silizium-Atomen bestünde, relativ wenig freie Ladungsträger vorhanden; das heißt, man würde nur einen geringen Anteil an Strom gewinnen. Um also den Stromgewinn deutlich zu erhöhen, wird bei der Herstellung von Solarzellen das Halbleitermaterial, in unserem Fall Silizium, „dotiert“. Eine Dotierung ist nichts anderes als ein „[…] gezielter Einbau von Fremdatomen in einen Halbleiterkristall“^[2], wobei man bei einer Dotierung auch meist von einer „Verunreinigung“ spricht. Eine solche „Verunreinigung“ bedeutet, dass ungefähr jedes Millionste Silizium-Atom aus dem Kristall durch einen Atom der dritten beziehungsweise fünften Hauptgruppe ersetzt wird. Ein Atom aus der dritten Hauptgruppe wäre beispielsweise Bor; ein Atom aus der fünften Hauptgruppe wäre zum Beispiel Phosphor. Man unterscheidet nun zwischen zwei Verfahren bezüglich des Dotierens, die jeweils zu p- beziehungsweise n- Halbleitern führen: Wenn man jedes Millionste Silizium-Atom durch einen Atom der fünften Hauptgruppe ersetzt, entsteht ein sogenannter n-Halbleiter. Als Beispiel ersetzen wir Silizium durch Phosphor: Phosphor hat fünf Außenelektronen, also einen mehr als Silizium. Infolgedessen wird ein Außenelektron des Phosphors nicht in den Kristall integriert, weshalb sich das Außenelektron ohne Probleme aus dem Valenzband lösen und in das Leitungsband gelangen kann. Folglich wird der dotierte Silizium-Kristall bereits bei geringer Energie- beziehungsweise Wärmezufuhr elektrisch leitend, was beim nicht dotierten Silizium nicht der Fall wäre. Diese fünfwertigen Atome, in unserem Beispiel Phosphor, werden als Donatoren oder auch als sogenannte „Elektronenspender“ bezeichnet, zumal sie ein Außenelektron abgeben. Dadurch ist die Folge, dass sich das Silizium-Kristall aufgrund des abgegebenen Valenzelektrons positiv auflädt, sodass wir von einem n-Halbleiter sprechen können. Wenn wir nun jedes Millionste Silizium-Atom durch einen Fremdatom aus der dritten Hauptgruppe ersetzen, entsteht ein p-Halbleiter (siehe Abb. 2).

[...]

^[1] Vergleiche http://www.quanten.de/fotovoltaik.html [Birgit Bomfleur, 01.05.2002]

^[2] Vergleiche http://www.wissen.de/wde/generator/wissen/ressorts/technik/index,page=1086232.html

[ Wissen Media Verlag]