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.