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Grundwissen

Silizium-Solarzellen

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Klassische Silizium-Solarzellen bestehen aus einer n-dotierten und einer p-dotierten Schicht. Am Übergang bildet sich eine sog. Raumladungszone.
  • Einfallendes Licht löst in dieser Raumladungszone Elektronen von Atomen (innerer Fotoeffekt).
  • Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt aktuell bei 12% - 20%.
Aufgaben Aufgaben

Prinzipieller Aufbau

Silizium Solarzelle schematisch Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Schematische Darstellung des p/n-Übergangs einer Solarzelle

Die klassische Silizium-Solarzelle besteht aus einer ca. \(0{,}001\,\rm{mm}\) dicken n-dotierten Schicht (kurz: n-Schicht), welche in das ca. \(0{,}6\,\rm{mm}\) dicke p-dotierte Silizium-Substrat (kurz: p-Substrat) eingebracht wurde.

Den Übergang zwischen n-Schicht und p-Substrat nennt man p/n-Übergang. Um diesen p/n-Übergang bildet sich ein ein Bereich, in dem sich Raumladungen mit Überschuss und Mangel an Ladungsträgern gegenüberstehen, so dass diese Zone im Gleichgewichtsfall nach außen ladungsneutral erscheint. Diesen Bereich nennt man Raumladungszone.

Bei der monokristallinen Siliziumsolarzelle wird die n-Schicht durch oberflächennahes Einbringen (dotieren) von ca. \({10^{19}}\) Phosphor-Atomen pro \({\rm{c}}{{\rm{m}}^3}\) in das p-Substrat erzeugt. Die n-Schicht ist so dünn, damit das Sonnenlicht besonders in der Raumladungszone am p/n-Übergang absorbiert wird. Das p-Substrat muss dick genug sein, um die tiefer eindringenden Sonnenstrahlen absorbieren zu können und um der Solarzelle mechanische Stabilität zu geben.

Entstehung der Raumladungszone

Abb. 2 Entstehung der Raumladungszone um einen p/n-Übergang

Die Animation in Abb. 2 zeigt noch einmal die Entstehung der Raumladungszone.

Durch Einbringen weniger 5-wertiger Phosphoratome in das 4-wertige Silizium wird dieses n-dotiert, d.h. es ist nach außen elektrisch neutral, aber das zusätzliche Valenzelektron (blau - gezeichnet) ist relativ frei beweglich.

Durch Einbringen weniger 3-wertiger Boratome in das 4-wertige Silizium wird dieses p-dotiert, d.h. es ist nach außen elektrisch neutral, aber das für das 4. Valenzelektron aufgehobene positive Loch (rot - gezeichnet) ist relativ frei beweglich.

An der Grenzschicht zwischen n- und p-Schicht diffundieren die Löcher in die n-Schicht und die Elektronen in die p-Schicht und es entsteht dadurch eine von freien Ladungsträgern verarmte Raumladungszone einer bestimmten Breite. Durch diese Verschiebung hat das n-Gebiet positive, das p-Gebiet negative Raumladung. Vergleiche hierzu auch die Grundwissensseite über die Dotierung und die Grundwissenseite über die Ventilwirkung der Diode.

Auslösen von Elektron-Loch-Paaren durch Photonen

Abb. 3 Auslösen von Elektron-Loch-Paaren durch Photonen und den dadurch möglichen Stromfluss der Elektronen durch einen geeigneten Stromkreis

Das Auftreffen von Licht in die Raumladungszone ist nun der eigentliche "Motor" der Solarzelle. Dies wird in der Animation in Abb. 3 verdeutlicht.

Trifft Licht (Photonen - grün) in die Raumladungszone, so kann es ein Elektron aus dem Atom lösen. Das Restatom ist dann positiv geladen, es besitzt eine Elektronenfehlstelle, also ein Loch. Man bezeichnet diesen Vorgang als inneren photoelektrischen oder auch photovoltaischen Effekt.

Würde dieser Vorgang in einem Bereich stattfinden, in dem keine äußeren elektrischen Kräfte wirken, so würde das Elektron nach kurzer Zeit wieder zum Restatom zurückkehren. Man könnte auch sagen Elektron und Loch rekombinieren.

Findet dagegen der photovoltaische Effekt in der Raumladungszone oder deren unmittelbaren Umgebung statt, so kann es zu einer dauerhaften Ablösung des Elektrons kommen. Negatives Elektron und positives Loch wandern entsprechend der durch die Raumladungszone aufgebauten Feldkraft auseinander, das Elektron zur ortsfesten positiven Raumladung im n-dotierten Bereich, das positive Loch zur negativen Raumladung im p-dotierten Bereich. Es kommt also zu einer Ladungstrennung und somit einer Spannung, die bei einer Solarzelle etwa \(0{,}5\,\rm{V}\) beträgt. Diese Spannung ist an den Metallkontakten abgreifbar.

Verbindet man die Metallkontakte der Solarzelle mit einem Verbraucher, so kann Strom fließen. Dabei bewegen sich die Elektronen durch die n-Schicht nach oben und gelangen in den äußeren Stromkreis. Die Löcher fließen durch die p-Schicht nach unten und werden durch die Elektronen, die über den äußeren Stromkreis zur p-Schicht fließen aufgehoben (Rekombination). Salopp könnte man sagen, dass die durch das Licht entstandenen Elektron-Loch-Paare lieber über den Stromkreis rekombinieren, da der Widerstand der zu durchdringenden n- bzw. p-Schicht und der Widerstand des äußeren Stromkreises kleiner ist als der Widerstand der Raumladungszone.

Je intensiver die Beleuchtung und je großflächiger die Grenzschicht ist, desto mehr Elektronen-Loch-Paare entstehen und umso größer ist dann auch die Stromstärke, welche die Solarzelle liefern kann. Pro Quadratzentimeter beleuchteter Solarzellenfläche kann man mit einer Stromentnahme von etwa 20mA rechnen.

Da nicht jedes "Lichtteilchen (Photon)" ein Elektron-Loch-Paar bildet und ein Elektron mit einem Loch wieder rekombinieren kann und dabei nur Wärme produziert (die Rekombination steigt mit der Betriebstemperatur), ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle begrenzt. Er liegt heute im Bereich von 12% - 20%.

Schaltsymbol für Solarzellen

Mögliche Schaltsymbole für Solarzellen
Abb. 4 Mögliche Schaltsymbole für Solarzellen

Da eine Solarzelle von Grundprinzip genau wie eine Fotodiode funktioniert und einfallendes Licht an einem pn-Übergang in einen elektrischen Strom umwandelt, wird häufig das Schaltsymbol der Fotodiode auch als Schaltsymbol für eine Solarzelle genutzt. Der Pfeil der Fotodiode zeigt dabei in die technische Stromrichtung, also von Plus nach Minus. Teilweise wird auch das Symbol einer Spannungsquelle mit zwei einfallenden Pfeilen als Schaltsymbol für Solarzellen genutzt. Hier zeigt der lange "Anschluss" in Richtung des Pluspols, der kurze "Anschluss" in Richtung des Minuspols.

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