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Die Funktion einer Solarzelle

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Elektrischer Strom ist in der Physik die Bewegung von freien, geladenen Teilchen, den so genannten Ladungsträgern. Um Licht in elektrische Energie umzuwandeln, müssen in der Solarzelle folglich frei bewegliche Ladungsträger erzeugt werden. Zwei physikalische Vorgänge wirken zu diesem Zweck im Inneren der Solarzelle:

  • Licht erzeugt freie Teilchen
  • freie Teilchen werden getrennt und so als Solarstrom nutzbar gemacht
Damit Sie ein besseres Verständnis bekommen, können Sie sich auch bequem dieses Video Anschauen:

Natürlich haben wir es auch in „Text“ Form für Sie Zusammengestellt.

Innerer Photoeffekt

Bild: Freie Teilchen entstehen in einer Solarzelle

Das Sonnenlicht setzt sich aus einzelnen Ener­gieportionen zusammen, die mit dem bloßen Auge nicht zu unterscheiden sind:

Den Photonen oder Lichtquanten. Sie enthalten unterschiedlich viel Energie je nach der Wellenlänge, in der sie schwingen. Treffen sie auf Ihr Solarpaneel, werden einige vom Silizium verschluckt („absorbiert“) und lösen ein fest gebundenes Elektron – ein negativ geladenes Teilchen aus dem Kristallgitter des Halbleiters.
Weniger energiereiche Lichtquanten strahlen durch die Solarzelle ungenutzt hindurch, andere werden an ihrer Oberfläche reflektiert.

An seinem ehemaligen Platz hinterlässt das aus dem Kristallgitter gelöste Elektron dabei ein positiv geladenes Loch. Gemeinsam bilden die beiden ein Elektronen-Loch-Paar zwei entgegengesetzt geladene Teilchen, die frei beweglich sind.
Die erste Voraussetzung für Strom, frei bewegliche Ladungsträger, ist damit erfüllt. Bevor aus ihnen aber Sonnenstrom wird, muss noch ein Hindernis überwunden werden: Die erzeugten Teilchen bleiben nämlich nur kurzzeitig frei beweglich. Insbesondere die Elektronen neigen dazu, sich rasch wieder mit einem Loch zu vereinen, ein Prozess, den Physiker Rekombination nennen und durch den die freien Elektronen für die Solarstromgewinnung wieder verloren wären.

Photovoltaischer Effekt

Die Solarzelle benötigt in ihrem Kern deshalb ein Bauteil, das die unerwünschte Wiedervereinigung freier Ladungsträger verhindert. Diese Funktion des „Sittenwächters“ übernimmt der pn-Übergang. Ingenieure erzeugen ihn, indem sie in den Halbleiter gezielt Fremdatome (bspw. Bor und Phosphor) einpflanzen, ein Verfahren, das Dotierung genannt wird.
Ist das Dotieren abgeschlossen, gibt es in der Solarzelle zwei Halbleitersichten: Eine p-dotierte Lage mit einem Überangebot an Löchern und eine n-dotierte Schicht, in der ein Überschuss an Elektronen herrscht.

Bild: Querschnitt einer kristallinen Zelle

Zwischen diesen beiden Schichten bildet sich dann ein pn-Übergang mit einem stabilen elektrischen Feld aus. Das Feld hat die zentrale Aufgabe, die vom Licht erzeugten Elektronen-Loch-Paare zu trennen und so vom Rekombinieren abzu­halten.
Dabei sind keine magischen, sondern grundlegende physikalische Kräfte am Werk:
Der positive Pol des elektrischen Feldes zieht die gerade getrennten, negativen Elektron bspw. in die n-dotierte Schicht. Da es dort durch die Dotierung bereits einen Überschuss an Elektronen gibt, sind kaum Löcher frei, in die das neue Elektron schlüpfen könnte. Die Wahrscheinlichkeit, dass es rekombiniert und für den Solarstrom verloren geht, ist somit äußerst gering.
Die Löcher, die vom negativen Pol in die p-dotierte Schicht befördert werden, bleiben dort ebenfalls erhalten.

Auf diese Weise können die vom Licht erzeugten und vom Feld getrennten Elektronen und Löcher an den jeweiligen Metallkontakten der Zelle gefahrlos ausharren, bis der Stromkreis durch den Anschluss eines Verbrauchers – etwa einer Glühbirne oder einer Waschmaschine – geschlossen wird und sie als Strom zu fließen beginnen.
Dick- und Dünnschicht-Solarzellen unterscheiden sich aber grundsätzlich in der Art, wie die Nutzung dieser beiden für die Funktion einer Solarzelle so zentralen physikalischen Effekte technisch umgesetzt wird.



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