So funktioniert eine Solarzelle

Solar­zelle, Photo­effekt, Löcher und Photo­nen? Erklärungen zur Funktions­weise einer Solar­zelle sind für den Laien meist schwere Kost. Doch es geht auch allge­mein­ver­ständlich, wie der folgende Buchauszug zeigt.

Die Funktionsweise einer Solarzelle ist relativ kompliziert, muss man doch für deren Verständnis in extreme Tiefen höherer Physik eintauchen. Ein kleines übertragenes Modell, das in Abbildung 1 dargestellt ist, soll hier helfen, das Prinzip der Solarzelle zu verstehen. Man stelle sich hierzu zwei waagerechte Ebenen vor. Die zweite Ebene liegt ein wenig höher als die erste. In der ersten Ebene befindet sich eine Vielzahl von Kuhlen, also kleinen Löchern, die randvoll mit Wasser gefüllt sind. Das Wasser kann sich hier nicht von selbst bewegen. Nun beginnt jemand, kleine Gummibälle auf die erste Ebene zu werfen. Trifft ein Ball in eine Kuhle, spritzt das Wasser nach oben und gelangt so auf die zweite Ebene. Hier befinden sich keine Kuhlen, die das Wasser aufhalten. Die zweite Ebene ist nun geneigt, sodass das Wasser abfließt und von selbst in eine Abflussrinne gelangt. Diese ist über ein Rohr mit der unteren Ebene verbunden, wobei das Wasser beim Durchfließen ein kleines Wasserrad mit einem Dynamo antreibt. Ist das Wasser an der unteren Ebene angelangt, füllt es wieder die Kuhlen auf. Mit neuen Gummibällen kann der Kreislauf nun von vorne beginnen.

Abbildung 1: Modell zur Veranschaulichung der Vorgänge in einer Solarzelle

Mit einer Solarzelle hingegen wollen wir keinen Wasserkreislauf erzeugen, sondern elektrischen Strom zum Betrieb von Elektrogeräten generieren. Ein elektrischer Strom entsteht aus einem Fluss von negativen Ladungsträgern, den so genannten Elektronen. Diese entsprechen dem Wasser unseres einfachen Modells. Für die Solarzelle wird also ein Material benötigt, indem sich zwei Ebenen befinden: eine Ebene, in der Elektronen wie das Wasser in den Kuhlen fest gebunden sind, und eine zweite Ebene, in der sich Elektronen frei bewegen können. Halbleiterwerkstoffe verfügen normalerweise genau über diese Eigenschaften. Lichtteilchen, die in der Physik Photonen genannt werden und den Gummibällen entsprechen, können hier Elektronen auf die zweite Ebene anheben.

Für eine einwandfreie Funktion in unserem einfachen Modell ist die Neigung wichtig, da sich sonst das Wasser nicht von selbst in der Regenrinne sammelt. Auch bei Halbleitern muss die zweite Ebene über ein Gefälle verfügen, über das sich die Elektronen auf einer Seite sammeln. Im Gegensatz zu unserem einfachen Modell wird für das Sammeln nicht die Schwerkraft, sondern ein elektrisches Feld genutzt, das die negativ geladenen Elektronen auf eine Seite zieht. Um dieses Feld herzustellen, muss der Halbleiter dotiert werden. Hierzu wird eine Seite der Halbleiterscheibe mit Elementen wie Bor und die andere Seite anderen Elementen wie Phosphor gezielt verunreinigt. Da Bor und Phosphor selbst eine unterschiedliche Anzahl von Elektronen haben, erzeugen diese das notwendige Gefälle. Der Übergangsbereich heißt Raumladungszone. Hier entsteht ein elektrisches Feld, das Elektronen auf eine Seite zieht. Externe Kontakte sammeln sie dort. Über einen äußeren Stromkreis fließen sie zurück zur ersten Ebene. Dabei geben Sie elektrische Energie ab.

Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Siliziumsolarzelle. Die verschieden dotierten Seiten der Siliziumscheibe nennt man im Fachjargon n-dotiertes und p-dotiertes Silizium. Zwischen beiden Bereichen befindet sich die Grenzschicht mit der Raumladungszone. Licht in Form von Photonen trennt nun negative Ladungsteilchen (Elektronen) und positive Ladungsteilchen (Löcher) und sorgt dafür, dass sich die Elektronen in einer zweiten Ebene frei bewegen können. Im Gegensatz zum einfachen Modell sind Löcher ebenfalls beweglich. Durch die Raumladungszone werden Elektronen und Löcher getrennt. Dünne Frontkontakte sammeln die Elektronen auf der Vorderseite der Zelle.

Nicht jedes Lichtteilchen sorgt aber dafür, dass ein Elektron von einem Loch getrennt wird. Ist die Energie des Photons zu gering, fällt das Elektron in das Loch zurück. Ist die Energie des Photons hingegen zu groß, wird nur ein Teil genutzt, um das Elektron vom Loch zu trennen. Einige Photonen gehen auch ungenutzt durch die Solarzelle, andere werden von den Frontkontakten reflektiert.

Abbildung 2: Aufbau und Vorgänge in einer Solarzelle