Spezielle Eigenschaften der photoaktiven (Silizium-)Schichten
Die photoaktive Schicht der Solarzelle besteht aus einem Halbleitermaterial. Eine wichtige Eigenschaft von Halbleitern besteht darin, dass deren Leitfähigkeit durch Zufuhr von Energie - bei Solarzellen in Form von Licht - erhöht wird. Die meisten Solarzellen bestehen aus dem Halbleiter Silizium. Silizium (Si) hat in der Außenschale des Atoms vier Elektronen (Bild 1).
In einer stabilen Kristallstruktur ist jedes Siliziumatom von 4 Nachbar-Si-Atomen umgeben. Der Zusammenhalt der Atome mit den entsprechenden Nachbaratomen kommt dadurch zustande, dass je ein Elektron des einen Atoms mit einem Elektron des benachbarten Atoms ein Elekronenpaar bildet.
Die regelmäßige Zuordnung der Si-Atome führt zu einer gitterförmigen Struktur; sie wird auch Kristallgitter genannt (Bild 2). Im Halbleiterkristall werden alle vier Elektronen der äußersten Schale jedes Atoms zur Paarbildung benötigt. Er wäre damit nichtleitend. Dieser Zustand gilt aber nur für tiefe Temperaturen. Bei höheren Temperaturen werden einige dieser Paarbindungen aufgebrochen und Elektronen freigesetzt. Diese bilden die Grundlage der (geringen) Eigenleitung der Halbleiter. Bei Anlegen einer Spannung würde nur ein kleiner Strom fließen.
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Dotierung
Die Ober- und Unterseite der Silizium-Solarzelle werden verschieden vorbereitet, dadurch entstehen zwei verschiedene Schichten.
In der oberen Schicht wird an einigen Stellen ein Siliziumatom z. B. durch ein Phosphoratom ersetzt (Bild 3). Diesen Vorgang nennt man Dotierung. Phospor besitzt in seiner Außenschale fünf Elektronen. Es bleibt ein Elektron übrig, da es im Kristallgitter nur mit vier Siliziumatomen eine Paarbindung eingehen kann. Das fünfte Elektron findet keinen Bindungspartner und ist deshalb nur sehr lose an das Phosphoratom gebunden. Bereits bei Zimmertemperatur wird die Bindung gelöst. Das so dotierte Silizium besitzt also freie Elektronen (negative Ladungen) und wird daher als n-dotierte Schicht bezeichnet.
Die untere Schicht der Solarzelle wird in ähnlicher Weise z. B. mit Bor dotiert (Bild 4). Bor besitzt in seiner äußeren Schale drei Elektronen, die jeweils eine Paarbindung mit den Silizium-Nachbar-Atomen eingehen. Für die vierte Bindung fehlt jedoch das Elektron. Diese Fehlstelle bezeichnet man auch als Elektronenloch. Bereits bei Zimmertemperatur kann in dieses Loch von einem benachbartem Si-Atom ein Elektron überspringen: das Loch wandert scheinbar. Die Leitfähigkeit des so dotierten Siliziums beruht also auf der Beweglichkeit der Löcher (positive Ladungen). Man bezeichnet diese Zone als p-dotierte Schicht.
Sowohl die p- als auch die n-dotierte Schicht sind gut leitfähig und für sich genommen elektrisch neutral. Es liegt keine Spannung an.
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pn-Übergang
An der Berührungsstelle der Schichten mit p- und n- Dotierung bildet sich der sogenannte pn-Übergang: Dort geraten einige Elektronen aus der n-dotierten Schicht in die p-dotierte Schicht. Sie ersetzen dort fehlende Elektronen in der Paarbindung. Durch die Abwanderung der Elektronen aus der n-dotierten Schicht wird eine gewisse Menge an negativer Ladung von der n-Schicht zur p- Schicht transportiert.
Durch die Abwanderung der Elektronen sind örtlich fest gebundene positive Ionen zurückgeblieben. Die Elektronen sind in die Löcher der grenznahen p-Schicht gewandert und führen zu einem negativen Ladungsüberschuss. Im Grenzbereich sind beide Schichten elektrisch nun nicht mehr neutral: der n-dotierten Schicht fehlen Elektronen, sie ist somit positiv geladen, die p-dotierte Schicht hat einige Elektronen zu viel; sie ist negativ aufgeladen (Bild 5).
Dieser Vorgang beschränkt sich jedoch nur auf eine dünne Grenzschicht, denn die zunehmend negative Ladung der angrenzenden p-Schicht behindert den weiteren Übertritt von freien Elektronen, weil gleichartige elektrische Ladungen sich abstoßen. Durch die veränderten Ladungsverhältnisse im Grenzschichtbereich bildet sich zwischen positiven und negativen Ladungsträgern ein elektrisches Feld (Bild 5). Da die Ladungsträger örtlich fest gebunden sind, fließt kein Strom. Das elektrische Feld wird durch parallel verlaufende Feldlinien dargestellt, welche von der positiv geladenen Grenzschicht zur negativ geladenen Grenzschicht gerichtet sind (Bild 6).
Vorgang bei Lichtzufuhr
Bei einer Solarzelle ist die n-dotierte Schicht der Sonnenseite zugewandt. Sie wird im Vergleich zur p-dotierten Schicht sehr dünn gehalten, damit die energiegeladenen Photonen des Lichts bis auf den pn-Übergang durchdringen können. (Bild 6)
Durch die Lichtstrahlen werden ständig Elektronen aus bestehenden Elektronenpaarbindungen zwischen Siliziumatomen gelöst. Dabei entstehen freie Elektronen und Löcher. Dies geschieht auch im pn-Übergang. Die dort freiwerdenden Elektronen werden sofort durch die Kräfte des elektrischen Feldes entlang der Feldlinien in die n-dotierte Schicht transportiert, die Löcher in die umgekehrte Richtung. Durch den damit ausgelösten Elektronenmangel in der p-Schicht lädt sich diese positiv auf.
In der n-dotierten Schicht bildet sich ein Elektronenüberschuss. Schließt man den Stromkreis, so kommt es durch den außen angeschlossenen Leiter zu einem Elektronenfluss und somit zu einem Ladungsausgleich. Solange die Lichteinstrahlung besteht, kann ein elektrischer Strom fließen. Auf der Oberseite der Solarzelle ist ein Kontaktband aus Metall mit vielen kleinen Kontaktfingern (Minuspol) aufgebracht. Auf der Unterseite haftet eine durchgehende Metallschicht als Kontakt (Pluspol). Das Kontaktband und die Metallfläche bilden die elektrischen Pole der Solarzelle (Bild 6)
Anhang: Erläuterung der Paarbindung
Alle uns umgebenden Stoffe sind aus unzählig vielen Atomen aufgebaut. Ein einzelnes Atom besteht aus dem Atomkern und der Atomhülle. Den Atomkern bilden positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen. Um den Atomkern kreisen mit hoher Geschwindigkeit in verschiedenen Bahnen negativ geladene Elektronen; sie bilden eine Hülle um den Atomkern. Ein Atom ist als ganzes elektrisch neutral, da die Anzahl der positiven, elektrischen Ladung des Kerns durch die gleiche Anzahl negativer elektrischer Ladung der Hülle ausgeglichen wird. Entfernt man ein Elektron, dann ist das Atom infolge des Elektronenmangels jetzt positiv geladen. Ist die Anzahl der negativen Ladungen größer als die Anzahl der positiven Ladungen, dann herrscht ein Elektronenüberschuss; das Atom ist negativ geladen.
Es gibt neben der elektrischen Anziehungskraft zwischen ungleichnamigen, also auch zwischen Atomkern und Elektron noch eine andere Anziehungskraft, die sich daraus ergibt, dass jedes Atom einen möglichst stabilen Zustand erreichen möchte. Dieser Zustand ist dann erreicht, wenn es in seiner äußersten Schale möglichst 8 Elektronen hält (Ausnahme: Wasserstoff). Es gibt also zwei Möglichkeiten, wie sich Atome miteinander verbinden können: - die Ionenbindung - die kovalente Bindung. Dazu kann es Elektronen seiner äußersten Schale an andere Atome abgeben oder von anderen Atomen aufnehmen (Ionenbindung) oder mit anderen benachbarten Atomen teilen. Im letztgenannten Fall bilden benachbarte Atome Elektronenpaarbindungen (auch kovalente Bindung genannt). Jedes der miteinander verbundenen Atome ist mit einem Elektron an der Paarbindung beteiligt. Die Elektronen verlassen dabei nicht ihre Außenschale. Eine typische Elektronenpaarbindung ist im Bild 2 schematisch dargestellt. Dieses Bindungsverhalten führt zu einer regelmäßigen Anordnung der Atome im Kristallgitter.
