Wie funktioniert eine Solarzelle?
Solarzellen sind kleine Kraftwerke, deren Energiequelle unerschöpflich ist. Mit ihnen lässt sich elektrischer Strom produzieren. Aber wie funktioniert eine Solarzelle in einer Photovoltaikanlage genau? Was passiert in einer Solarzelle?
Eine Solarzelle besteht aus zwei Schichten Silizium. Silizium ist ein sogenannter Halbleiter, den man aus Quarzsand gewinnt. Leitfähig wird ein Halbleiter erst durch die Zufuhr von Licht oder Wärme. Beides liefert die Sonne.
Silizium-Atome haben an der Außenhülle vier negativ geladene Elektronen. Die Silizium-Atome verbinden sich über ihre vier Außenelektronen miteinander und bilden ein Gitter. Es ist allerdings möglich, einzelne Silizium-Atome aus diesem Gitter herauszunehmen und durch fremde Atome zu ersetzen. Fügt man ein Fremdatom hinzu, das mehr Außenelektronen besitzt als das Silizium-Atom, dann erhält man einen Überschuss an Elektronen des Fremdatoms, die kein Elektron des Silizium-Atoms finden, um sich damit zu verbinden. Fügt man beispielsweise dem Silizium Phosphor hinzu, das fünf Elektronen besitzt, dann bleibt bei der Verbindung zwischen einem Silizium-Atom mit seinen vier Elektronen und einem Phosphor-Atom mit seinen fünf Elektronen ein Elektron frei. Dadurch entsteht eine negative Ladung. Umgekehrt kann man dem Silizium einen Stoff hinzufügen, dessen Atom weniger Elektronen besitzt als das Silizium. Bor hat z. B. nur drei Elektronen. Dadurch bleibt ein Elektron des Silizium-Atoms ohne Verbindung, so dass in dem Gitter frei bewegliche Elektronenlöcher entstehen, die positiv geladen sind.
Das Hinzufügen von Fremdatomen in eine Schicht – in diesem Fall in eine Silizium-Schicht – nennt man dotieren. Fügt man der Silizium-Schicht der Solarzelle Phosphor hinzu, das mehr Elektronen besitzt, dann ist die Silizium-Schicht n-dotiert. Man spricht auch von n-Schicht, die negativ geladen ist, weil ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen vorherrscht. Haben hingegen die Fremdatome wie bei Bor weniger Elektronen, die der Silizium-Schicht hinzugefügt werden, führt das zu einer positiven Ladung. Dann ist die Silizium-Schicht p-dotiert und man spricht von p-Schicht.
Da das Bor-Atom aus der einen Silizium-Schicht der Solarzelle ein Elektron zu wenig hat, um sich mit dem Silizium zu verbinden, und das Phosphor-Atom aus der anderen Schicht ein Elektron zu viel hat, fließen die überschüssigen Elektronen der Phosphor-Atome zu den freien Plätzen der Bor-Atome, die in Verbindung mit Silizium immer vier Elektronen brauchen. Das passiert schon bei Zimmertemperatur. Auf diese Weise entsteht in der n-Schicht mit dem Phosphor eine positive Ladung, weil an der Stelle, wo das abgewanderte Elektron war, eine positive Ladung zurückbleibt. Umgekehrt lädt sich die p-Schicht mit dem Bor negativ auf, weil die Löcher von Elektronen besetzt werden. Dieser Austausch erfolgt an der Kontaktfläche zwischen n-Schicht und p-Schicht. Dieser Bereich heißt p-n-Übergang. Man sagt auch Grenzschicht, Sperrschicht oder Raumladungszone dazu. Das heißt, innerhalb dieser Grenzschicht ist die n-Schicht positiv geladen und die p-Schicht negativ geladen.
Nun kommt das Entscheidende: Trifft Sonnenlicht, das aus Photonen besteht, auf die Solarzelle, dann lösen die Photonen die Elektronen der Fremdatome innerhalb der Grenzschicht aus ihren Bindungen heraus, so dass diese sich frei bewegen können. Das nennt man den photovoltaischen Effekt. Durch das elektrische Feld werden die freien Elektronen zu der positiv geladenen n-Schicht mit dem Phosphor hingezogen, die sich oben auf der Solarzelle befindet. Die positiv geladenen Löcher wandern hingegen nach unten in die negativ geladene p-Schicht mit dem Bor. Die Elektronen wandern also nach oben, die Löcher wandern nach unten, weil sich entgegengesetzte Ladungen immer anziehen. Das heißt, es kommt zu einer Ladungstrennung und somit zu einer Spannung, weil nun ein Ungleichgewicht zwischen oberer und unterer Schicht herrscht. Um daraus elektrischen Strom zu gewinnen, muss man die freien Elektronen dazu bringen, in die gleiche Richtung zu fließen. Das erreicht man, indem man an der Ober- und Unterseite der Solarzelle Metallplättchen anbringt und diese über ein Kabel miteinander verbindet. Die Elektronen können durch das Kabel von der n-Schicht wieder in die p-Schicht fließen, so dass der Vorgang wieder von Neuem beginnen kann. Solange Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, ist dieser Vorgang unendlich wiederholbar.
Verbindet man nun das Kabel mit einem Verbraucher von Strom, beispielsweise mit einer Glühbirne, dann bringen die Elektronen, die durch das Kabel fließen, die Glühbirne zum Leuchten und fließen danach wieder in die Solarzelle, so dass ein geschlossener Kreislauf entsteht. Was hier fließt, nennt sich Gleichstrom, weil der elektrische Strom, also die Elektronen, immer in die gleiche Richtung fließt. Wir benötigen aber nicht nur Gleichstrom, sondern vor allem Wechselstrom. Mit einem Wechselrichter kann man den von den Solarzellen produzierten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln.
Eine Solarzelle besteht aus zwei Schichten Silizium. Silizium ist ein sogenannter Halbleiter, den man aus Quarzsand gewinnt. Leitfähig wird ein Halbleiter erst durch die Zufuhr von Licht oder Wärme. Beides liefert die Sonne.
Silizium-Atome haben an der Außenhülle vier negativ geladene Elektronen. Die Silizium-Atome verbinden sich über ihre vier Außenelektronen miteinander und bilden ein Gitter. Es ist allerdings möglich, einzelne Silizium-Atome aus diesem Gitter herauszunehmen und durch fremde Atome zu ersetzen. Fügt man ein Fremdatom hinzu, das mehr Außenelektronen besitzt als das Silizium-Atom, dann erhält man einen Überschuss an Elektronen des Fremdatoms, die kein Elektron des Silizium-Atoms finden, um sich damit zu verbinden. Fügt man beispielsweise dem Silizium Phosphor hinzu, das fünf Elektronen besitzt, dann bleibt bei der Verbindung zwischen einem Silizium-Atom mit seinen vier Elektronen und einem Phosphor-Atom mit seinen fünf Elektronen ein Elektron frei. Dadurch entsteht eine negative Ladung. Umgekehrt kann man dem Silizium einen Stoff hinzufügen, dessen Atom weniger Elektronen besitzt als das Silizium. Bor hat z. B. nur drei Elektronen. Dadurch bleibt ein Elektron des Silizium-Atoms ohne Verbindung, so dass in dem Gitter frei bewegliche Elektronenlöcher entstehen, die positiv geladen sind.
Das Hinzufügen von Fremdatomen in eine Schicht – in diesem Fall in eine Silizium-Schicht – nennt man dotieren. Fügt man der Silizium-Schicht der Solarzelle Phosphor hinzu, das mehr Elektronen besitzt, dann ist die Silizium-Schicht n-dotiert. Man spricht auch von n-Schicht, die negativ geladen ist, weil ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen vorherrscht. Haben hingegen die Fremdatome wie bei Bor weniger Elektronen, die der Silizium-Schicht hinzugefügt werden, führt das zu einer positiven Ladung. Dann ist die Silizium-Schicht p-dotiert und man spricht von p-Schicht.
Da das Bor-Atom aus der einen Silizium-Schicht der Solarzelle ein Elektron zu wenig hat, um sich mit dem Silizium zu verbinden, und das Phosphor-Atom aus der anderen Schicht ein Elektron zu viel hat, fließen die überschüssigen Elektronen der Phosphor-Atome zu den freien Plätzen der Bor-Atome, die in Verbindung mit Silizium immer vier Elektronen brauchen. Das passiert schon bei Zimmertemperatur. Auf diese Weise entsteht in der n-Schicht mit dem Phosphor eine positive Ladung, weil an der Stelle, wo das abgewanderte Elektron war, eine positive Ladung zurückbleibt. Umgekehrt lädt sich die p-Schicht mit dem Bor negativ auf, weil die Löcher von Elektronen besetzt werden. Dieser Austausch erfolgt an der Kontaktfläche zwischen n-Schicht und p-Schicht. Dieser Bereich heißt p-n-Übergang. Man sagt auch Grenzschicht, Sperrschicht oder Raumladungszone dazu. Das heißt, innerhalb dieser Grenzschicht ist die n-Schicht positiv geladen und die p-Schicht negativ geladen.
Nun kommt das Entscheidende: Trifft Sonnenlicht, das aus Photonen besteht, auf die Solarzelle, dann lösen die Photonen die Elektronen der Fremdatome innerhalb der Grenzschicht aus ihren Bindungen heraus, so dass diese sich frei bewegen können. Das nennt man den photovoltaischen Effekt. Durch das elektrische Feld werden die freien Elektronen zu der positiv geladenen n-Schicht mit dem Phosphor hingezogen, die sich oben auf der Solarzelle befindet. Die positiv geladenen Löcher wandern hingegen nach unten in die negativ geladene p-Schicht mit dem Bor. Die Elektronen wandern also nach oben, die Löcher wandern nach unten, weil sich entgegengesetzte Ladungen immer anziehen. Das heißt, es kommt zu einer Ladungstrennung und somit zu einer Spannung, weil nun ein Ungleichgewicht zwischen oberer und unterer Schicht herrscht. Um daraus elektrischen Strom zu gewinnen, muss man die freien Elektronen dazu bringen, in die gleiche Richtung zu fließen. Das erreicht man, indem man an der Ober- und Unterseite der Solarzelle Metallplättchen anbringt und diese über ein Kabel miteinander verbindet. Die Elektronen können durch das Kabel von der n-Schicht wieder in die p-Schicht fließen, so dass der Vorgang wieder von Neuem beginnen kann. Solange Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, ist dieser Vorgang unendlich wiederholbar.
Verbindet man nun das Kabel mit einem Verbraucher von Strom, beispielsweise mit einer Glühbirne, dann bringen die Elektronen, die durch das Kabel fließen, die Glühbirne zum Leuchten und fließen danach wieder in die Solarzelle, so dass ein geschlossener Kreislauf entsteht. Was hier fließt, nennt sich Gleichstrom, weil der elektrische Strom, also die Elektronen, immer in die gleiche Richtung fließt. Wir benötigen aber nicht nur Gleichstrom, sondern vor allem Wechselstrom. Mit einem Wechselrichter kann man den von den Solarzellen produzierten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln.