Funktion der Solarzelle

Um die Funktion einer Solarzelle richtig erklären zu können, müssen wir an dieser Stelle ein wenig ausholen. Solarzellen werden aus Halbleitern hergestellt. Halbleiter sind Stoffe, deren Leitfähigkeit durch Energiezufuhr in Form von Wärme oder Licht erhöht werden kann, z.B. Silizium (Si), Germanium (Ge) oder Cadmiumsulfid (CdS). Doch wie kommt es dazu, das ein Stoff an Leitfähigkeit gewinnt, wenn man ihm Energie zuführt?

Dies lässt sich am Beispiel des Siliziums gut erklären. Im Kristallgitter dieses Elements hat jedes Atom vier unmittelbare Nachbaratome. In jedem der vier Nachbarbereiche hält sich eines der vier Außenelektronen des Si-Atoms auf. Da jedes der Nachbaratome ebenso ein Außenatom für diesen Nachbarbereich liefert, befinden sich dort jeweils zwei Elektronen. Der Kristall wird durch die Anziehungskräfte der Elektronen im Nachbarbereich und dem Atomrumpf zusammengehalten.

Bei sehr tiefen Temperaturen werden die Elektronen zwischen den Rümpfen festgehalten (Abb.1). Erwärmt man den Kristall, so beginnen die Elektronen zu schwingen und werden sozusagen aus ihren Bindungen "herausgeschüttelt". Nach Anlegen einer Spannung werden die "freigeschüttelten" Elektronen zum Pluspol gezogen und am Minuspol wieder durch neue Elektronen aus dem Stromkreis ersetzt. Die Elektronen bewegen sich natürlich auch zwischen den Atomrümpfen, doch in Abbildung 2 wurden sie symbolisch außerhalb der Kette gezeichnet. Die entstandene Lücke wurde durch eine Kreis gekennzeichnet.

Um die Leitfähigkeit eines Halbleiters zu verbessern, erhöht man die Anzahl der Elektronen. Hierzu ersetzt man z.B. jedes millionste Siliziumatom im Kristallgitter durch ein Arsenatom. Diesen Vorgang nennt man Dotieren. Da Arsen fünf Valenzelektronen besitzt, kann sich ein Elektron an der Kristallbindung nicht beteiligen. Es bleibt als freies Elektron und erhöht so die Leitfähigkeit. Da dieses Dotieren auf der Zugabe von negativ geladenen Elektronen beruht, spricht man von n-Halbleitern.

Dotiert man Silizium mit Atomen, die ein Valenzelektronen weniger haben, z.B. Aluminium, nennt man dies positiv dotieren. Es entsteht ein p-Halbleiter. Da bei jedem Aluminium-Atom ein Elektron in der Bindungskette fehlt, entstehen viele Löcher, die nicht aufgefüllt werden können. Bei angelegter Spannung können Bindungselektronen also von links in ein rechts von ihrem Gitterplatz liegendes Loch "hüpfen" (Abb.3). An ihrem alten Platz entsteht dafür ein neues Loch. Auch Elektronen aus dem Minuspol können hierbei Löcher auffüllen. Da der Kristall aber elektrisch neutral bleiben muss, müssen gleich viele Elektronen zum Pluspol abwandern.

Grenzen ein n- und ein p-Halbleiter ohne Störung der Gitterstruktur aneinander, so entsteht an dieser Stelle eine sogenannte Sperrschicht. Je nach Polung lässt diese Schicht Elektronen durch oder sperrt den Elektronenfluss. Man nennt dies eine Halbleiterdiode.

Bei Durchlasspolung (Abb.4, oben), also n-Halbleiter am Minuspol und p-Halbleiter am Pluspol, werden die Elektronen vom n-Halbleiter über die Sperrschicht hinweg zum Pluspol gezogen. Am Minuspol werden neue Elektronen dem n-Halbleiter zugeführt. Bei Sperrpolung (Abb.4, unten) werden die freien Elektronen durch eine Kraft nach links gezogen. Doch es kommen keine Elektronen über die Sperrschicht, da es rechts fast keine freien Elektronen gibt und links keine Löcher zur Verfügung stehen.

Eine Solarzelle ist genauso aufgebaut, wie die eben beschriebene Diode. Die n-dotierte Seite ist der Sonne zugewandt. Beginnen wir aber beim Zustand vor der Belichtung.

Aufgrund ihrer Eigenbewegung überschreiten einige Elektronen schon bei der Herstellung des p-n-Übergangs die Grenzschicht. Ebenso rücken Bindungselektronen in die Löcher des p-Halbleiters. Der n-Halbleiter verliert so einen kleinen Teil seiner frei beweglichen Elektronen. In der unmittelbaren Nähe der Grenzschicht überwiegt bei ihm die positive Ladung der Löcher. Der p-Halbleiter lädt sich in der Nähe der Grenzschicht bedingt durch die hinzu gekommenen Elektronen leicht negativ auf. Es bildet sich ein Gleichgewichtszustand, der verhindert, dass weitere Elektronen über die Grenzschicht springen.

Wird die Grenzschicht nun belichtet, werden die Elektronen auf ein höheres energetisches Niveau gehoben und es entstehen freie Elektronen und Löcher. Die positiven Ladungen am Rande des n-Halbleiters ziehen freie Elektronen nach links. Das Gleichgewicht wird gestört. Der n-Halbleiter hat Elektronen "zurück gewonnen". Diese fließen über den äußeren Stromkreis zurück zum p-Halbleiter. Bei längerer Belichtung entsteht so ein kontinuierlicher Stromfluss, den man als Nutzstrom abgreifen kann.

Bei Solarzellen wird zwischen drei Typen unterschieden: monokristalline, polykristalline und amorphe Solarzellen.

Bei der Herstellung von monokristallinen Silizium-Zellen wird geschmolzenes, hochreines Silizium in Stabform gezogen und danach in Scheiben geschnitten. Da die Herstellung sehr aufwendig ist, ist dies der teuerste, aber auch wirkungsvollste (14-17%) Solarzellen-Typ. Monokristalline Solarmodule werden bevorzugt in mittleren und großen professionellen Solarstromanlagen eingesetzt, wo es auf hohen Wirkungsgrad und lange Haltbarkeit besonders ankommt.

Polykristalline Solarzellen werden in Blöcke gegossen und danach in Scheiben geschnitten. Durch die unterschiedlich großen Kristalle, die sich beim Erstarren bilden, treten an den Grenzen Defekte auf, wodurch der Wirkungsgrad nur zwischen 13-15% liegt. Da sich die Herstellung nur wenig von der der monokristallienen Solarzellen unterscheidet (nur das aufwendige Kristallziehen entfällt), sind die Anwendungsbereiche ähnlich gelagert.

Amorphe Solarzellen findet man in kleinen Anwendungen, wie z.B. Uhren oder Taschenrechnern. Das Silizium wird einfach in einer Schicht von ca. 1µm auf eine Glasplatte aufgedampft.

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