Prinzip einer Solarzelle

Prinzip einer Solarzelle
So funktioniert eine Solarzelle (Prinzip einer Solarzelle)
Elektrischer Strom ist nichts anderes als fließende Elektronen in einem Leiter.
Zur Erinnerung: Elektronen sind die kleinen negativ geladenen Teilchen, die um den positiv
geladenen Atomkern flitzen. Der Strom wird in Solarzellen erzeugt, die das Sonnenlicht in
freifließende Elektronen umwandeln.
Die Entwicklung der letzten Jahrzehnte hat unterschiedliche Varianten von Solarzellen
hervorgebracht, die aus verschiedenen Materialien bestehen.
Für alle Arten von Solarzellen kann man aber in einfacher Weise die Fähigkeit zur
Energiewandlung darstellen (Wir erklären hier stellvertretend für andere die kristalline
Siliziumsolarzelle):
Das Licht dringt in Form von Lichtquanten oder Photonen in die Solarzelle ein. Dort
treffen die Photonen auf die äußeren Elektronen der Siliziumatome. Die Elektronen
absorbieren das Photon und werden dadurch mit Energie angereichert. Damit verändern
sie ihre angestammt Kreisbahn um das Atom. Die Bahn wird größer, und das Elektron
entfernt sich von seinem Atomkern. Vergleichbares passiert beispielsweise auch mit dem
Satelliten, der um die Erde kreist: Er entfernt sich von ihr, wenn er schneller wird, was
gleichbedeutend mit einer höheren Energie ist. Ist die Energiemenge des Photons hoch genug,
kann sich das Elektron ganz von dem Atomkern lösen. Das Ergebnis ist ein freies Elektron,
das einen einsamen Atomkern zurücklässt. Weil ihm nun ein Elektron fehlt, spricht der
Physiker hier von einem Loch. Auf diese Weise entstehen viele elektrisch positiv geladene – Atomkerne im Kristallgitter des Siliziums.
Das führt jedoch zu keinem Ergebnis. Denn die freien Elektronen wandern ziellos im
Kristallgitter umher. Früher oder später fallen die Elektronen in eines der vielen - Löcher-,
das heißt, sie binden sich wieder an ihren Atomkern, dem ein Elektron fehlt. Damit wäre die
ganze Arbeit vergeben gewesen. Es muss also gelingen, die umherstreunenden Elektronen zu
einer bestimmten Stelle zu ziehen, dem elektrischen Pol- um sie dann der Solarzelle
entnehmen zu können. Hierzu haben die Physiker einen angewandt:
Sie bauen in die Siliziumscheibe ein elektrisches Feld ein. Dazu werden in das Kristallgitter
einer Siliziumsolarzelle auf der, der Sonne zugewandten Seite in eine dünne Schicht gezielt
Fremdatome eingebracht. Das hoch reine Silizium wird also absichtlich verunreinigt, der
Physiker spricht bei diesem Vorgang von Dotierung. Hierzu wird meist das Element
Phosphor verwendet. Phosphoratome sind etwa genau so groß wie Siliziumatome, haben
allerdings ein Elektron mehr auf der äußeren Elektronenschale. Dieser Überschuss an
Elektronen sorgt dafür, dass auf dieser vorderen Seite der Minuspol der Solarzelle entsteht.
Bereits bei der Herstellung der Siliziumscheiben ist das ganze restliche Silizium
mit einer kleinen Menge Boratome dotiert worden. Boratome passen auch sehr gut in das
Kristallgitter des Siliziums, haben aber ein Elektron weniger auf der äußeren Schale als das
Silizium. Damit ist das restliche Silizium positiv geladen. So entsteht auf der Rückseite der
Pluspol. Verbindet man jetzt Minus- und Pluspol in der Regel über einen Stromabnehmer-,
wandern die überschüssigen Elektronen vom Minuspol zum Pluspol, wo ein
Elektronenmangel herrscht.
Damit fehlen nun im Kristallgitter auf der Seite des Minuspols Elektronen. Hierdurch werden
die von den Photonen produzierten umherschwirrenden freien Elektronen zum Minuspol
gezogen und das Spiel beginnt erneut: Der Strom fließt.
Verschiedene Typen von Solarzellen
Zu den bekanntesten Solarzellen gehören die kristallinen Siliziumsolarzellen. Sie haben einen
Anteil von 87% der weltweiten Produktion. Die Zellen haben eine Größe von 10x10 oder
15x15 cm. Seltener gibt es sie aber auch noch in der früheren runden Form. Sie gehören zu
den Dickschichtzellen, da ihr Basismaterial in einer Stärke zwischen 0,2 und 0,3 mm aus
kristallinen Siliziumblöcken herausgesägt oder aus einer Siliziumschmelze gezogen werden.
Im Vergleich dazu messen Dünnschichtzellen nur 10 bis 50 Mikrometer aktiven Materials.
Sie werden auf Glas in Aufdampftechniken aus verschiedenen Materialien hergestellt. Da sie
weniger Energiebedarf zur Herstellung benötigen, könnten sie in absehbarer Zeit die
Dickschichtzellen vom Markt drängen. Allerdings kämpfen die meisten Dünnschichtzellen
zurzeit noch mit einem zu geringen Wirkungsgrad.
Die gegenwärtig bekanntesten Dünnschichtzellen sind die amorphen (nicht kristallinen)
Siliziumzellen, die Kupfer-Indium-Diselenid Zellen (CIS) und die Cadmium-Tellurid-Zellen
(CdTe). Während die Dünnschichtzellen nach den Aufdampfprozessen bereits die Fähigkeit
haben, Lichtenergie in elektrische Energie zu wandeln, bedürfen die gesägten oder
gezogenen, elektrisch noch passiven Dickschicht-Siliziumscheiben hierzu noch einiger
thermischer und chemischer Behandlungen.
Inzwischen gibt es Solarzellen, die biegsam sind und zusammen mit Modulen um Masten
gewickelt werden können.