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Halbleiter und Solarzellen

1.      Elektronentransport in Metallen

2.      Ladungstransport in Halbleitern

3.      Nützlicher Dreck: eingebaute Fremdatome

4.      Der p-n-Übergang

5.      Die Halbleiter-Diode

6.      Aufbau von Solarzellen

7.      Funktionsweise von Solarzellen

Fotovoltaik

1.      Elektronentransport in Metallen

In Metallkristallen sind alle Valenzelektronen bei Zimmertemperatur praktisch vollkommen frei beweglich, denn sie sind nur sehr lose ans Atom gebunden. Diese Elektronen bewirken die ausgezeichnete Leitfähigkeit für elektrischen Strom und für Wärme. Sie heißen deshalb Leitungselektronen. In einem Metall wie Silber stehen pro Kubikzentimeter etwa 10²³ frei bewegliche Elektronen zur Verfügung: eine riesige Ladungsmenge!

Legt man zwischen den beiden Enden eines Metallstücks der Länge d eine elektrische Spannung U an, so entstehen im Innern elektrische Kräfte und ein elektrisches Feld E = U/d. Die Leitungselektronen werden zum Plus-Pol hingezogen. Die Größe der Kraft F ist F = e·E, wobei e = –1.6·10^-19 C die Ladung des Elektrons ist. Diese Kraft beschleunigt die Leitungselektronen auf eine mittlere Geschwindigkeit v. Die Leitungselektronen werden aber durch Stöße mit den Atomrümpfen laufend gebremst, so dass v  nur einen geringen Wert erreicht: Bloß rund 1/10 mm pro Sekunde. Trotzdem bewirkt eine Spannung von etwa 1 V sofort einen großen Strom I von einigen Ampere: Die riesige Menge an frei beweglichen Elektronen sorgt für einen kleinen Widerstand R. Das Ohmsche Gesetz: I proportional zu U oder genauer I = U/R ist Ihnen vertraut. Die Materialeigenschaften werden durch den spezifischen elektrischer Widerstand r erfasst. Die sehr große Zahl von frei beweglichen Elektronen in Metallen ist also für deren kleine spezifische Widerstandswerte r verantwortlich.

Bei steigender Temperatur vergrößert sich die "Zitterbewegung" der Atomrümpfe. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Leitungselektronen mit Atomrümpfen kollidieren. Als Folge steigt bei Metallen der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur.

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2.      Ladungstransport in Halbleitern

Völlig anders ist die Situation bei praktisch reinen Halbleitern. Die Zahl der frei beweglichen Elektronen ist 106 bis 1010 mal kleiner als im Metall und hängt stark von der Temperatur und chemischen Verunreinigungen ab. Figur 3.1 b) zeigt, weshalb:

Links Fig. 3.1 a) Metallische Bindung in Kupfer: Ein "See" frei beweglicher Elektronen hält die Atomrümpfe zusammen.

Rechts Fig. 3.1 b) Kovalente Bindung beim Silizium: Nicht frei bewegliche Elektronenpaare binden die Atomrümpfe. Die grauen Ringe um die weiß dargestellten Atomkerne symbolisieren die Elektronenhüllen der Atomrümpfe. Die Zahlen geben die jeweilige Ladung an.

Im Metall werden die positiv geladenen Atomrümpfe durch den "See" der sehr zahlreichen Leitungselektronen zusammengehalten (Fig. 3.1 a). Nicht so beim Halbleiter. Dort werden die Atomrümpfe durch ein dazwischenliegendes, nicht frei bewegliches Paar von Elektronen aneinander gebunden. Man spricht von Elektronenpaarbindung oder kovalenter Bindung.

Die Atomrümpfe sind beim Halbleiter so angeordnet, dass jeder Atomrumpf vier nächste Nachbarn hat. An diese ist er durch je ein Elektronenpaar gebunden. Beim Ein-Element-Halbleiter, der also nur eine Atomsorte enthält, stammen vier dieser insgesamt acht Elektronen von dem einen Atomrumpf, die restlichen Vier stammen von den vier Nachbarn. Ein-Elementhalbleiter bestehen also aus vierwertigen Elementen. Wichtige Beispiele sind Silizium und Germanium. Beim Verbindungshalbleiter muss die durchschnittliche Wertigkeit vier betragen. So sind es wiederum die acht Valenzelektronen, welche jedes Atom zu seinen vier nächsten Nachbarn binden. Ein Beispiel für einen III-V-Verbindungshalbleiter ist Gallium-Arsenid (GaAs); ein Beispiel für eine halbleitende II-VI-Verbindung ist Cadmium-Sulfid (CdS).

Durch die Temperaturbewegung der Atomrümpfe verlassen einzelne Valenzelektronen gelegentlich ihren Platz. In diesem Zustand haben sie dann dieselbe freie Beweglichkeit wie die Leitungselektronen im Metall. Wir haben also im Halbleiter einen im Vergleich zum Metall sehr stark verdünnten "See" von Leitungselektronen. Der Seespiegel steigt mit der Temperatur rapid an. Dies erklärt sowohl den viel größeren spezifischen Widerstand als auch das entgegengesetzte Temperaturverhalten der Halbleiter im Vergleich zu den Metallen.

Im Unterschied zu den Halbleitern ist bei den Isolatoren der Energieaufwand zu groß, um bei Zimmertemperatur Valenzelektronen vorübergehend in einen beweglichen Zustand zu "stoßen". Trotz der "Zitterbewegung" der Atomrümpfe bei Zimmertemperatur bleibt der elektrische Widerstand etwa eine Million mal größer als bei reinen Halbleitern.

Figur 3.2: Räumliche Anordnung der Atome in Silizium, Germanium und Diamant (Diamantstruktur). Die einzelnen Atome sitzen an den Ecken und in den Zentren von periodisch angeordneten Tetraedern. Dies bedeutet, dass jedes Atom vier nächste Nachbarn hat. Diese bilden jeweils gerade ein solches Tetraeder. Wie schon in Fig. 3.1b) schematisch dargestellt, besteht zu den vier nächsten Nachbarn eine Elektronenpaarbindung.

In Figur 3.2 sehen Sie links die Situation innerhalb eines Tetraeders. Rechts die Anordnung der Tetraeder. Die Schicht der helleren Tetraeder liegt auf den Spitzen der darunter liegenden Schicht von dunkler dargestellten Tetraedern. Die beim Tetraeder eingetragen Zahlen sollen gewisse Längenverhältnisse im Tetraeder verdeutlichen.

Fig. 3.1 b) ist also eine zweidimensionale schematische Darstellung der realen, dreidimensionalen Situation. Diese ist in Figur 3.2 wiedergegeben. Generell spricht man bei allen Kristallen, in denen die räumliche Anordnung der Atome jener im Diamant entspricht, von einer Diamantstruktur.

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3.      Nützlicher Dreck: eingebaute Fremdatome

Die elektrischen Eigenschaften der Halbleiter können durch geringfügige chemische Veränderungen stark beeinflusst werden. Da ja im reinen Halbleiter bei Zimmertemperatur nur etwa jedes milliardste Atom ein Leitungselektron bereitstellt, wird der Ersatz jedes hunderttausendsten Atoms durch ein Fremdatom, welches "mit Garantie" und dauernd ein zusätzliches, freies Elektron liefert, drastische Folgen für den Widerstand haben:

Fig. 3.3 Arsenatom als Donator im Siliziumkristall. Die grauen Ringe um die weiß dargestellten Atomkerne symbolisieren die Elektronenhüllen der Atomrümpfe. Die Zahlen geben die jeweilige Ladung an. Mit "neutral, positiv, negativ" wird angegeben, wie das zum jeweiligen Atom gehörende Gebiet per Saldo geladen ist. Insgesamt ist der n-Halbleiter elektrisch neutral, da die positiven Donatoren und die negativen Donatorelektronen sich die Waage halten.

Ersetzt man im Halbleiter Silizium z. B. jedes hunderttausendste Siliziumatom durch ein fünf­wertiges Arsenatom, so werden vier der fünf Valenzelektronen zur kovalenten Bindung an seine vier nächsten Nachbarn benötigt (Fig. 3.3). Geht das fünfte Valenzelektron auf "Wanderschaft", so wird das Ladungsgleichgewicht in der Umgebung des Arsenatoms gestört. Das "Arsenatomgebiet" enthält gewissermaßen ein Proton zuviel und bildet eine positiv geladene Stelle im Kristall. Das fünfte Valenzelektron ist schwach an diese "positiv geladene Stelle" gebunden, kann aber zum elektrischen Strom beitragen, indem es sich löst und später irgendwann wieder ein anderes Elektron an seine Stelle tritt.

Der Einbau fünfwertiger Fremdatome liefert also dem Halbleiter zusätzliche, bewegliche Elektronen. Die eingebauten fünfwertigen Fremdatome heißen deshalb Donatoren (Spender). Die bereitgestellten Elektronen bezeichnen wir als Donatorelektronen. Derart veränderte Halbleiter nennt man n-Halbleiter, da ihre elektrische Leitfähigkeit vorwiegend von den negativ geladenen Donatorelektronen herrührt. Den Vorgang der Substitution eines geringen Bruchteils (ca.1/100'000) der Halbleiteratome durch Atome eines anderen Elements nennt man Dotieren. Dotiert man einen Halbleiter mit dreiwertigen Atomen, baut man beispielsweise Boratome ein, so fehlt ein Valenzelektron, um dieses mit seinen vier nächsten Nachbarn kovalent zu binden (Fig. 3.4). Es besteht eine Bindungslücke, kurz: ein Loch.

Fig. 3.4     Boratom als Akzeptor im Siliziumkristall. Die grauen Ringe um die weiß dargestellten Atomkerne repräsentieren die Elektronenhüllen der Atomrümpfe. Die eingetragenen Zahlen geben die Ladung an. Mit "neutral, positiv, negativ" wird angegeben, wie das zum jeweiligen Atom gehörende Gebiet ("Atomgebiet") per Saldo geladen ist. Insgesamt ist der p-Halbleiter elektrisch neutral, da die negativen Akzeptoren und die positiv geladenen "Atomgebiete" der Löcher sich die Waage halten.

Wird dieses Loch von einem "Nachbarelektron" aufgefüllt, so hinterlässt dieses "Nachbarelektron" an seinem Ursprungsort ein neues Loch. Auch Löcher sind beweglich! Durch eine derartige Abwanderung eines Lochs wird das Ladungsgleichgewicht in der Umgebung des Boratoms gestört. Das "Boratomgebiet" enthält ein Elektron zuviel und bildet eine "negativ geladene Stelle" im Kristall. Das Loch bleibt ähnlich wie das "überflüssige" Valenzelektron beim Arsenatom schwach an diese negativ geladene Stelle gebunden, kann sich aber auch relativ leicht von dieser Stelle entfernen, um dann später irgendwann von einem anderen Loch wieder ersetzt zu werden. Löcherwanderung in eine Richtung bedeutet aber nichts anderes als Elektronenwanderung in entgegengesetzter Richtung. Da mit der Bewegung eines Lochs die Bewegung eines per Saldo einfach positiv geladenen "Atomgebiets" verbunden ist, entspricht der Wanderung eines Lochs die Wanderung einer positiven Ladung. Man spricht von Löcherleitung.

Veranschaulichung: Die Löcherwanderung ist analog zur "Wanderung" eines freien Platzes in einer Sitzreihe im Kino: Das Aufrücken der Kinobesucher (Elektronen) beispielsweise nach links führt dazu, dass der freie Platz (Loch) nach rechts wandert. Allerdings gibt es im Halbleiter gleichzeitig Löcher und freie Elektronen nebeneinander.

Der Einbau dreiwertiger Fremdatome erzeugt also im Halbleiter die oben beschriebenen Löcher. Da sie zumindest vorübergehend ein Elektron "importieren" und "beherbergen", nennt man die eingebauten dreiwertigen Fremdatome Akzeptoren (Empfänger). Die Beweglichkeit der Löcher bedeutet mikroskopisch eine neue Möglichkeit zur Fortbewegung von Elektronen ("Hüpfen von Loch zu Loch"). Da mit der Wanderung eines Lochs die Wanderung eines positiv geladenen Gebiets verbunden ist, nennt man Halbleiter mit (beweglichen) Löchern p-Halbleiter.

Übrigens: Das Dotieren geschieht, indem man geeignetes Gas, etwa BH3, über die stark aufgeheizten Si-Kristalle strömen lässt. Dann dringen die Boratome durch Diffusion ein und erzeugen einen p-Halbleiter. Mehr dazu im Additum 1.

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4.      Der p-n-Übergang

Was geschieht, wenn man die eine Hälfte eines Siliziumkristalls durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen zum p-Halbleiter, die andere Hälfte durch Einbau von fünfwertigen Fremdatomen zum n-Halbleiter macht? Was geschieht an der Grenzfläche zwischen beiden Gebieten? - Werfen Sie einen Blick auf Fig. 3.5.

Infolge der Wärmebewegung dringen Elektronen aus dem n-Teil in den p-Teil des Halbleiters ein. Sie kennen diesen Prozess (Diffusion) vom Verteilen der Parfum-Moleküle. Im p-Teil werden die Elektronen von den positiv geladenen Löchern angezogen. Ein Elektron füllt ein Loch - und beide sind als bewegliche Ladungen nicht mehr vorhanden! Man nennt diesen Vorgang Rekombination. Jede Rekombination verringert die Anzahl der freien Ladungsträger um ein Elektron und ein Loch.

Ebenso diffundieren auch Löcher in den n-Teil und rekombinieren mit den Elektronen. Nahe der Grenzfläche verschwinden also im p-Teil die Löcher und im n-Teil die Donator-Elektronen. Beiderseits der Grenzfläche sind keine beweglichen Ladungsträger mehr vorhanden. Es entsteht eine dünne Schicht praktisch ohne bewegliche Ladungsträger. Man nennt sie die Verarmungszone. Sie ist etwa 1mm = 1/1000 mm breit.

Das Eindringen von Elektronen in den p-Teil, bzw. von Löchern in den n-Teil, hat noch etwas anderes zur Folge: In der Verarmungszone ist die Ladungsbilanz nicht mehr ausgeglichen. Die abgewanderten Elektronen hinterlassen im ursprünglich elektrisch neutralen n-Teil eine dünne Schicht mit einem Überschuss an positiver Ladung. Im p-Teil entsteht entsprechend ein negativer Ladungsüberschuss (siehe Fig. 3.5).

Die beiden entgegengesetzt geladenen Schichten erzeugen ähnlich wie beim Plattenkondensator eine elektrische Kraft und ein von der n- zur p-Seite gerichtetes elektrisches Feld E.

Figur 3.5: Der p-n-Übergang: Die in den p-Teil eindiffundierten Donatorelektronen füllen die dortigen Löcher und gegengleich. Somit sind also nahe der Grenze im p-Teil die Löcher und im n-Teil die Donatorelektronen verschwunden. In beiden Teilen ist also eine Verarmung an beweglichen Ladungsträgern eingetreten. Man spricht deshalb von einer Verarmungszone. Die abgewanderten Elektronen hinterlassen im n-Teil einen dünne Schicht mit einem Überschuss an positiver Ladung. Im p-Teil entsteht eine dünne Schicht mit einem Überschuss an negativer Ladung. Die beiden ortsfesten, entgegengesetzt geladenen Schichten erzeugen ähnlich wie beim Plattenkondensator ein elektrisches Feld.

Das oben erwähnte, ortsfeste, sogenannte Raumladungsfeld hält weitere Elektronen und Löcher davor ab, auch noch zur anderen Seite zu diffundieren und zu rekombinieren. Der Rekombinationsprozess wird derart vom sich aufbauenden elektrischen Feld gestoppt. Dadurch wird verhindert, dass sich die Verarmungszone über den ganzen Kristall ausbreitet, sondern nur die schon erwähnte Dicke von etwa 1/1000 mm erreicht. Die Dicke der Verarmungszone hängt allerdings stark von der Dotierung und ein wenig von der Temperatur ab.

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5.      Die Halbleiter-Diode

Wird ein Halbleiterkristall hälftig n- und p-dotiert, mit Anschlussdrähten versehen und in ein Gehäuse eingepackt, erhält man eine technische Halbleiterdiode oder auch Kristalldiode.

Was geschieht, wenn man zwischen der n- und der p-Seite einer Halbleiterdiode eine elektrische Spannung anlegt? - Eine so komplexe Struktur wird sich wohl kaum wie ein Ohmscher Widerstand verhalten. Sie werden bestimmt vermuten, dass die innere Asymmetrie des pn-Übergangs sich auch elektrotechnisch auswirken wird. Wir müssen die beiden Anschlussmöglichkeiten für eine äußere Spannung gesondert betrachten:

I) Äußere Spannung in Sperrrichtung

Überlegen wir uns, was nach unserer Modellvorstellung am p-n-Übergang geschehen sollte. Verbinden wir die n-Seite mit dem Pluspol und die p-Seite mit dem Minuspol einer Spannungsquelle (Fig. 3.6). Alle Elektronen erfahren eine Kraft in Richtung zum Pluspol, alle Löcher eine Kraft zum Minuspol. Im ersten Moment werden die beweglichen Ladungsträger diesen Kräften nachgeben:

Auf der p-Seite drängen die außerhalb der Verarmungszone noch beweglichen Elektronen in Richtung Grenzschicht. Sie werden noch mehr Löcher nahe der Grenzschicht füllen und diese zum Verschwinden bringen. So wird auf der p-Seite die Verarmungszone verbreitert und die ortsfeste Raumladung vergrößert. Deshalb können anschließend keine Elektronen mehr die Verarmungszone durchqueren.

Fig. 3.6 Halbleiterdiode in Sperrrichtung angeschlossen. Die Verarmungszone hat sich durch die angelegte Spannung verbreitert. Die Löcher im p- und die Donatorelektronen im n-Teil werden noch weiter voneinander getrennt. Die Raumladung wird vergrößert und das elektrische Feld verstärkt.

Gegengleich wird die Verarmungszone auch auf der n-Seite verbreitert. Sie wirkt nun wie eine isolierende Schicht. Man sagt, die Halbleiterdiode ist in Sperrrichtung gepolt. Es fließt kein Strom, abgesehen vom Leckstrom, der durch die unvermeidlichen Unvollkommenheiten der Diode verursacht wird. Durch die Verbreiterung der Verarmungszone haben sich auch die Raumladungen und somit das E-Feld verstärkt.

II) Äußere Spannung in Durchlassrichtung

Was geschieht bei umgekehrter Polung (Fig. 3.7)? Die Löcher drängen im p-Teil vom Pluspol weg in die Verarmungszone hinein. Auf der p-Seite wird so die Verarmungszone verkleinert. Ebenso drängen auf der n-Seite Elektronen vom Minuspol in Richtung Verarmungszone. Diese wird auf beiden Seiten schmaler und verschwindet bei genügender Spannung sogar ganz. Die Donatorelektronen der n-Zone überqueren die Grenzfläche und rekombinieren laufend mit Löchern aus der p-Zone. Dabei wird selbstverständlich die Energie frei, welche für die Erzeugung eines Elektron-Loch-Paars aufgewendet worden ist. Die Energie wird von der äußeren Spannungsquelle geliefert. Je nach Halbleiter macht sich die Energie als Wärme oder als  Licht bemerkbar (Leuchtdioden). Dies ist der Umkehrprozess zum inneren Fotoeffekt.

                        Fig. 3.7   Halbleiterdiode in Durchlassrichtung gepolt.

Man sagt, die Halbleiterdiode sei in Durchlassrichtung gepolt. Die Entleerungszone ist aufgefüllt worden. Es fließt ein beträchtlicher Strom, der laufend zu Rekombination an der Grenzfläche führt. Dort wird Energie frei.

Für die Elektrotechnik ist Wirkung der Halbleiterdiode also analog zu jener eines Rückschlagventils (z.B. beim Fahrrad). In der einen Richtung lässt sie den Strom durch, in der anderen nicht.

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6.      Aufbau von Solarzellen

Die untenstehende Figur zeigt Ihnen den Aufbau einer Solarzelle. Das Ganze ist gar nicht kompliziert. Im Prinzip handelt es sich um eine Halbleiter-Diode mit großer Oberfläche und einem dünnen, lichtdurchlässigen n-Halbleiter. Dazu kommen spezielle Anschlüsse und eine Anti-Reflexschicht.

       Fig. 4.1: Aufbau einer typischen monokristallinen Solarzelle

        (Aus einem Silizium-Einkristall herausgeschnitten.)

Oft sind Solarzellen rund. Sie haben dann einen Durchmesser von ca. 6-10 cm. Das kommt vom Herstellungsprozess her. Das Silizium stammt aus dem in Fülle vorhandenen Quarzsand (SiO2). Nach der Reduktion wird es auf verschiedene Arten bestmöglichst gereinigt. Halbleiter-Silizium ist der Stoff, der am reinsten hergestellt wird! Anschließend zieht man aus dem geschmolzenen Silizium zylinderförmige Einkristalle von etwa 10 cm Durchmesser und 50 cm Länge. Diese schneidet man mit Spezialsägen in dünne Scheiben. Aus Kostengründen ist die ganze Solarzelle bloß etwa 0.2 - 0.5 mm dick.

Das Bor für die p-Dotierung kann bereits beim Herstellen der Einkristalle hinzugefügt werden. Wenn man die Scheiben erhitzt und einer phosphorhaltigen Gasatmosphäre aussetzt, entsteht der dünne n-Halbleiter an der Oberfläche. Er muss so dünn gemacht, damit möglichst viel Licht durch ihn hindurch bis zur Verarmungsschicht vordringen kann. "Dünn" heißt hier ca. 0.2 µm, ein Bruchteil eines tausendstel Millimeters. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist ca. 50 -100 mm dick. Der n-Halbleiter ist also etwa 500 mal dünner als ein Haar.

Die in der Solarzelle freigesetzten Ladungen müssen wir natürlich über Kontakte wegleiten. Auf der Vorderseite befindet sich der Front-Kontakt. Damit viel Licht in den Halbleiter gelangt, soll dieser Kontakt möglichst wenig Oberfläche abdecken. Er besteht deshalb aus schmalen Streifen aus Silber, die im Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Die Rückseite dagegen ist vollständig mit dem Rück-Kontakt aus Silber bedeckt, damit der elektrische Widerstand möglichst gering wird.

Der glattpolierte Halbleiter spiegelt ähnlich wie ein Metall. Gespiegeltes Licht ist jedoch verlorene Energie. Deshalb wird auf der Frontseite noch eine dünne Schicht aus SiO2, Ta2O3 usw. aufgedampft, welche die Reflexion vermindert. Sie ist bloß etwa 0.2 µm dick, halb so viel wie die Lichtwellenlänge. Die Oberflächenbehandlung ist verantwortlich für die bekannte blaue Farbe von guten Zellen. Diese können nämlich auch den Blauanteil im Sonnenlicht ausnützen.

 Eine einzelne Silizium-Solarzelle der Größe 10 cm x 10 cm liefert nur etwa 0.5 V Spannung und bei mittlerer Beleuchtung einen Strom von 1 A. Meist braucht man jedoch eine größere Leistung mit einer höheren Spannung und mehr Strom. Dann schaltet man mehrere Solarzellen in Serie oder parallel oder beides zugleich zusammen.

7.      Funktionsweise von Solarzellen

Im vorangegangenen Abschnitt haben Sie gelernt, dass eine Solarzelle prinzipiell nichts anderes als eine Halbleiterdiode ist. Im Kapitel 3 haben Sie die Dioden jedoch bloß als Stromventile und Verbraucher angetroffen. Es geht also darum, zu verstehen, wie durch die Umkehrung der Prozesse aus einem Verbraucher eine Strom- oder Spannungsquelle wird.

Im Zentrum stehen die Wechselwirkungen zwischen einem Photon und einem der vier Valenzelektronen des Halbleiters:

•   Innerer Fotoeffekt: Lichtenergie wird zugeführt. Das Photon setzt ein Elektron-Loch-Paar im Halbleiter frei.

•   Leuchtdiode: Elektrische Energie wird zugeführt, sie erzeugt ein Elektron-Loch-Paar. Dieses rekombiniert im Halbleiter und setzt ein Photon frei.

Es handelt sich offensichtlich um ein und denselben Prozess, der vorwärts oder rückwärts durchlaufen wird! Effektiv kann man einer Leuchtdiode Licht zuführen und elektrische Energie in winzigen Mengen herausholen. Man spricht dann von einer Fotodiode. Für die Fotovoltaik muss "bloß" noch die Oberfläche vergrößert werden. In der Figur 4.2 ist der bekannte p-n-Übergang mit dem darin ablaufenden inneren Fotoeffekt nochmals schematisch dargestellt:

                  Figur 4.2: Schematisierter p-n-Übergang mit innerem Fotoeffekt

Das Licht erzeugt in der Verarmungszone des p-n-Übergangs ein Elektron-Loch-Paar. Die beiden beweglichen Ladungen werden vom inneren Feld getrennt: Ein Elektronen-Überschuss entsteht so im n-Halbleiter; er wird zum Minus-Pol. Ein Löcher-Überschuss, also ein Elektronenmangel, entsteht im p-Halbleiter; dieser wird zum Plus-Pol der neuen Stromquelle.

Der innere Fotoeffekt kann bekanntlich nur durch Photonen ausgelöst werden, die genügend Energie hf besitzen. Das bedeutet, dass das Licht eine genügend hohe Frequenz, respektive eine genügend kurze Wellenlänge haben muss. Für Silizium ist die Energie etwa E = 10-19 J. Die maximale Wellenlänge beträgt demnach rund 1 µm. Silizium kann also schon IR-Licht ausnutzen. Die Sonne strahlt jedoch am meisten grünes Licht aus. Beim inneren Fotoeffekt wird nicht die ganze Energie des Photons benötigt; aus dem Rest entsteht Wärme. Dies ist ein unumgänglicher Verlust.

Sie müssen sich auch vorstellen, dass nicht jedes genügend energiereiche Photon ein Elektron-Loch-Paar erzeugt. Für den inneren Fotoeffekt gibt es bloß eine gewisse Wahrscheinlichkeit, die vom Material und der Energie des Photons abhängt. Zudem besteht eine reelle Chance, dass getrennte Ladungsträger wieder rekombinieren, bevor sie vom Feld vollständig getrennt worden sind. Dieser Prozess nimmt mit der Temperatur rasch zu. Im gleichen Masse nimmt der Wirkungsgrad der Zelle ab. Aus diesen und anderen Gründen hat der Wirkungsgrad einer Solarzelle also eine physikalische Grenze. Sie ist allerdings in den letzten Jahren durch die Theoretiker nach oben geschraubt worden und soll jetzt für Silizium bei 30 % liegen. Im Labor wurden 20 % erreicht; aber die auf dem Markt erhältlichen Solarzellen kommen nur wenig über 10 %.

Quelle:

ETH-Leitprogramm Physik: „Strom aus Licht";

Verfasst von: 

Erich Felder, Georg Knöpfle,

Manfred Küpfer, André Lehner

Michael Mayer und Hans Peter Dreyer

Herausgegeben durch Hans Peter Dreyer