Mit Sonnenenergie und Photovoltaik-Anlagen Solarstrom erzeugen

In Zeiten hoher Energiepreise und dem Wunsch nach umweltfreundlicher Energie geht die Technik dahingehend, dass man elektrischen Strom aus regenerativen Quellen zu erzeugen. Eine Möglichkeit das zu realisieren bilden Photovoltaik-Anlagen. Damit kann Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden, ohne dass dabei die Umwelt durch Ruß, CO2 und sonstigen Abgasen belastet wird. Als Werkstoff für die Solarzellen verwendet man dabei hauptsächlich Halbleiter, z.B. Siliziumkristalle. Durch Wärme und Licht lösen sich bei Halbleitern die Valenzelektronen aus ihren Bindungen. Durch Dotierung kann man diesen Effekt sogar erheblich verstärken. Dabei wird unterschieden zwischen einer n-Dotierung und p-Dotierung. Bei p-dotierten Halbleitern erhält man Raumladungen negative Ionen und Löcher. Bei n-dotierten Halbleitern erhält man positive Ionen und freie Elektronen. Fügt man einen n-Leiter mit einem p-Leiter zusammen, spielen sich am sogenannten pn-Übergang (Berührungskanten der beiden Stoffe) verschiedene Vorgänge ab. Die Sonneneinstrahlung bewirkt, dass auf der Seite des p-Leiters Valenzelektronen aus ihren Bindungen gelöst werden und diese in den n-Leiter wandern. Aufgrund der unterschiedlichen Elektronenzahl zwischen n- und p-Leiter führt man auf diese Art und Weise praktisch eine Ladungstrennung durch und erhält als Ergebnis eine elektrische Spannung. Das Minuspol liegt beim n-Leiter und das Pluspol am p-Leiter. Welche Vorgänge dabei ablaufen, ist in den nachfolgenden Bildern erläutert.

Ausgangspunkt

Der Ausgangspunkt ist das Zusammenfügen zweier unterschiedlich dotierter Halbleiter, die zusammengefügt werden. Auf der linken Seite ist der n-Leiter und auf der rechten Seite der p-Leiter. In der Mitte bildet sich automatisch eine Sperrschicht. In dem Zustand gibt es kaum freie Elektronen und Löcher.

Der n-Leiter ist extrem dünn. Die Dicke der n-dotierten Siliziumschichten betragt ca. 0,0002 mm. Dadurch gelangen die Sonnenstrahlen bis zum p-Leiter. Die Atome geraten durch die Sonneneinstrahlung dermaßen in Schwingung, dass sich die Valenzelektronen in der Sperrschicht lösen. Es entstehen gleichzeitig Löcher an den Stellen, an den die Elektronen vor der Loslösung gewesen sind. Ein Teil der freien Elektronen rekombiniert wieder mit den Löchern. Ein anderer Teil jedoch wird von den positiven Ionen angezogen und wandern so in den n-Leiter. Dadurch bleiben einige Löcher im p-Leiter zunächst unbesetzt.

Durch die positiven Ionen werden auch die übrigen Elektronen im p-Leiter angezogen, so dass sie sich lösen und die Löcher in der Sperrschicht besetzen.

Betrachtet man den n-Leiter, so hat sich ein Elektronenüberschuss gebildet. Im p-Leiter hat man einen Elektronenmangel bzw. einen Überschuss an Löchern. Somit hätte man erfolgreich eine Ladungstrennung durchgeführt und man hätte am n-Leiter einen Minuspol und am p-Leiter einen Pluspol.