Photovoltaische Nutzung der Sonnenenergie

Atomarer Aufbau eines Silizium-Halbleiter-Kristalls

Ein Siliziumatom besteht aus \(14\) Protonen, \(14\) Elektronen und meist \(14\) Neutronen. Während die Protonen und Neutronen den Atomkern bilden, befinden sich die Elektronen auf Schalen um den Atomkern (siehe Abbildung unten). Auf der äußersten der drei Schalen, die bestimmten Energieniveaus entsprechen, befinden sich vier Außenelektronen (Valenzelektronen). Nur diese vier Außenelektronen können an einer chemischen Bindung teilnehmen und sind deshalb für die Struktur des Siliziumkristalls verantwortlich.

Abbildung: Modell eines Silizium-Atoms

Für die Verwendung von Silizium in Solarzellen muss zunächst Quarzsand, der aus Siliziumoxid \(SiO_2\) besteht, durch eine thermische Reaktion von seinen Sauerstoffatomen befreit werden. Anschließend wird für die meisten Halbleiterbauelemente, aber auch für einen Teil der Solarzellen, aufwändig ein monokristalliner Siliziumkristall gezüchtet. Bei polykristallinen Solarzellen wird das reine Silizium hingegen aufgeschmolzen und auf eine spezielle Weise abgekühlt. Das verringert die Kosten, jedoch sinkt der maximale Wirkungsgrad von etwas über \(20\,\%\) auf einen Wert, der zwischen \(15\,\%\) und \(20\,\%\) liegt.
Innerhalb eines perfekten Siliziumkristalls geht jedes Außenelektron eines Siliziumatoms eine Bindung mit einem Außenelektron eines Nachbaratoms ein (siehe Abbildung unten). So entsteht eine regelmäßige Struktur (Kristall), in der alle Außenelektronen gebunden sein müssten.

Abbildung: Struktur eines Siliziumkristalls

Ein solches Kristall sollte demnach ein Nichtleiter (Isolator) sein. Beim Silizium, das zur Gruppe der Halbleiter gehört, liegt der elektrische Widerstand jedoch zwischen dem von Isolatoren und Metallen. Der Grund hierfür liegt in der thermischen Bewegung der Atome. Sie sorgt für das Aufbrechen einiger Atombindungen, wodurch freie Elektronen, aber auch Fehlstellen, sogenannte Löcher, entstehen (siehe Abbildung unten).

Abbildung: Elektronen- und Löcherleitung

Nicht nur das freie Elektron trägt zur Leitfähigkeit des reinen Siliziums bei. Auch die Fehlstelle, die Aufgrund eines fehlenden Elektrons eine positive Elementarladung besitzt (den \(14\) positiv geladenen Protonen stehen nur noch \(13\) negativ geladene Elektronen gegenüber), ist indirekt beweglich. Ein Elektron eines Nachbaratoms kann spontan ein Loch besetzen, was dazu führt, dass die Fehlstelle, die man als virtuelles positives Teilchen sehen kann, nun beim Nachbaratom zu finden ist. Das Aufbrechen der Atombindungen verstärkt sich mit steigender Temperatur, woraus eine Erhöhung der Leitfähigkeit des Siliziums resultiert.

Gezielte Verunreinigung des Halbleiters

Erst die gezielte Verunreinigung (Dotierung) des Halbleiters sorgt dafür, dass die meist unerwünschte Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Temperatur stark abnimmt und die Leitfähigkeit generell steigt. Noch wichtiger ist jedoch, dass erst die Kombination von unterschiedlich verunreinigten Halbleitern die Realisierung viele verschiedene elektronische Bauelemente ermöglich, u.a. auch die der Solarzelle.
Wird ein Stoff mit fünf Außenelektronen (Element der fünften Hauptgruppe wie Phosphor \(P\), Arsen \(As\) oder Antimon \(Sb\)) in den Halbleiterkristall eingebracht, steht pro Fremdatom ein zusätzliches freies Elektron zur Verfügung. Diese Art von Halbleiter wird n-Halbleiter genannt. Durch die Zugabe eines Elementes mit drei Außenelektronen (Elemente der dritten Hauptgruppe wie Indium \(In\), Bor \(B\) oder Gallium \(Ga\)) wird ein zusätzliches Loch erzeugt, es entsteht ein p-Halbleiter (siehe Abbildung unten).
Die zwei wichtigsten Methoden, um Halbleiter zu dotieren, sind dabei die Diffusion und die Ionenimplantation. Bei der Diffusion werden die Dotieratome in einer Gasphase oder in einer festen Schicht auf die Oberfläche des Halbleiters aufgebracht und dann durch Erhitzen in das Kristallgitter eindiffundiert. Bei der Ionenimplantation werden die Dotieratome als Ionen beschleunigt und direkt in das Kristallgitter geschossen. Die Dotierungsstärke hängt dabei von der Konzentration und der Tiefe der eingebrachten Fremdatome ab und variiert zwischen \(0,1\,ppm\) und \(100\,ppm\) (parts per million). Dies erklärt auch, warum der Siliziumkristall äußerst rein sein muss, da ansonsten andere Verunreinigungen die Wirkung der Fremddotierung überlagern würden. Die Tiefe der Dotierung kann je nach Verfahren und Energie der Ionen zwischen wenigen Nanometern und einigen Mikrometern variieren. Die Dotierung kann auch lokal begrenzt werden, um p-n-Übergänge in unterschiedlichsten Bauteilen zu erzeugen.

Abbildung: n-Halbleiter und p-Halbleiter

Die Abbildung unten zeigt zunächst noch einmal n- und p-Halbleiter getrennt. In der Darstellung sind die Siliziumatome, in die die Fremdatome eingebettet nicht eingezeichnet. Jedes ortsfeste Fremdatom erzeugt entweder ein freies Elektron oder ein bewegliches Loch, je nach Hauptgruppenzugehörigkeit.

Abbildung: p- und n-Silizium mit Fremdatomen

Der p-n-Übergang

Berühren sich p-Silizium und n-Silizium entsteht ein sogenannter p-n-Übergang.
Die freien Elektronen und die Löcher verhalten sich nun zunächst so, wie es zwei zunächst getrennte, unterschiedliche Gassorten tun würden, wenn die Trennwand in der Mitte eines Kastens entfernt wird. Aufgrund ihrer Temperatur besitzen sie eine Geschwindigkeit und bewegen sich nun zur jeweils gegenüberliegenden Seite, sie diffundieren also aufgrund ihrer thermischer Bewegung und des Konzentrationsunterschiedes.
Am sehr dünnen Übergang treffen die diffundierenden Elektronen nun auf die Löcher der p-Seite und besetzen diese. Bei diesem Vorgang, der Rekombination genannt wird, verschwinden sowohl die freien Elektronen, als auch die Löcher. Der p-n-Übergang ist damit an freien Ladungsträgern verarmt. Diese Diffusion hält nun jedoch nicht etwa an, wie es bei Gasen bis zur vollständigen Durchmischung der Fall wäre, sondern stoppt, obwohl der Konzentrationsunterschied an freien Ladungsträgern immer noch vorhanden ist. Verantwortlich dafür sind die ortsfesten Fremdatomen, die durch ihre elektrische Ladung (bzw. ihr elektrisches Feld) eine Barriere aufbauen. Ein spannungsloser p-n-Übergang sieht aus diesen Gründen immer so aus, wie es in der Abbildung unten zu sehen ist. Zwischen zwei gut leitenden n- und p-Siliziumschichten befindet sich ein sehr dünner Bereich (p-n-Übergang, Verarmungszone, Sperrschicht, Raumladungszone), der an freien Ladungsträgern verarmt ist.

Abbildung: Der p-n-Übergang

Bestrahlung des p-n-Übergangs mit Licht

Trifft nun ein Lichtteilchen (Photon) mit ausreichender Energie auf ein gebundenes Elektron in der p-n-Schicht, wird es vom Elektron absorbiert, verschwindet damit und gibt seine Energie (Lichtenergie) an das gebundene Elektron ab (elektrische Energie), das die Bindung verlässt und dadurch zum freien Elektron wird. Gleichzeitig entsteht ein Loch an der Stelle, an der das gebundene Elektron saß, insgesamt ist also ein Elektronen-Loch-Paar entstanden.
Das energiereichere freie Elektron (das nun ein höheres elektrisches Potenzial besitzt) verliert seine neu gewonnene Energie anschließend nicht wieder, indem es in das Loch zurückfällt, sondern wird von den Feldkräften der Raumladungen der ortsfesten Atomrümpfe (geladene Fremdatome) in das n-Gebiet gezogen. Gleichzeitig reichert sich die p-Seite mit Löchern an. Wichtig für die Anwendung als Energiewandler von Lichtenergie zu elektrischer Energie ist, dass sich im Lauf der Zeit viele energiereiche Elektronen, ähnlich wie bei einem geladenen Plattenkondensator, auf der n-Seite ansammeln. Verbindet man anschließend n- und p-Seite über einen ohmschen Widerstand, fließen aufgrund des Potenzialunterschieds (bei Silizium ca. \(0,70\,Volt\)) die Elektronen über den Widerstand zur p-Seite und geben ihre zuvor aufgenommene Energie wieder in Form von Wärme (am Widerstand) ab. Bei der praktischen Anwendung der Solarzelle als Energiewandler werden zur Erhöhung der Spannung viele Solarzellen in Reihe geschalten und an die Stelle des Widerstands sorgt ein Wechselrichter für die korrekte Netzwechselspannung von \(230\,Volt\).
Wie bereits oben erwähnt, beträgt der Wirkungsgrad von Solarzellen um die \(15\,\%\). Neben Reflektion und Absorption von Licht am Solarmodul ist eine Ursache für diesen relativ kleinen Wirkungsgrad der Umstand, dass ein Photon ausreichend Energie besitzen muss, um das Elektron aus seiner Bindung im p-n-Übergang zu heben. So kann nur ein Teil des Sonnenspektrums genutzt werden.

Abbildung: Anreicherung der p-Seite mit Löchern und der n-Seite mit Elektronen

Ergänzungen zum p-n-Übergang: Gleichrichter und LED

Nach der ausführlichen Erläuterung des p-n-Übergangs sei noch erwähnt, dass seine technische Hauptanwendung nicht in der Erzeugung von elektrischer Energie aus Licht liegt, sondern in seiner Gleichrichterwirkung und der Erzeugung von Licht aus elektrischer Energie.
Ein Bauelement das elektrischen Strom gleichrichtet wird Diode genannt, sie besteht aus einem einzelnen p-n-Übergang und hat die Aufgabe den Stromfluss in eine Richtung zu ermöglichen und in die entgegengesetzte Richtung zu sperren. Ist die Spannung an der p-Seite höher als an der n-Seite wird die Diode in Durchflussrichtung betrieben. Dabei werden sowohl die Löcher als auch die Elektronen in den p-n-Übergang gedrängt und der p-n-Übergang wird so leitfähig. Ist die Spannung jedoch an der n-Seite höher, wird die Verarmungszone breiter, die Diode sperrt den Stromfluss.
Wie oben erwähnt, werden beim Betrieb der Diode in Flussrichtung die Elektronen in den p-n-Übergang gedrückt. Dort treffen sie auf die Löcher und besetzen diese. Beim Sprung eines Elektrons in ein Loch (Rekombination) verliert das Elektron jedoch Energie, was dazu führt, dass nun genau das Gegenteil von dem passiert, was bei der Solarzelle geschieht. Nun wird nicht Licht in elektrische Energie umgewandelt, sondern das in das Loch fallende Elektron sendet ein Photon aus. Ist die Energiedifferenz zwischen freiem und gebundenem Elektron groß genug, was durch die Verwendung besonderer Dotierungsstoffe gelingt, kann die Wellenlänge des entstehenden Lichts im sichtbaren Bereich liegen, der p-n-Übergang funktioniert so als Leuchtdiode (LED). Abhängig von der Energiedifferenz zwischen freiem und gebundenem Elektron kann man so effizient Leuchtmittel in den unterschiedlichsten Farben produzieren.