Eine Solarzelle kann Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln. Wie die Solarzelle das macht und was dabei in der Solarzelle passiert hat mit dem Material zu tun, aus dem sie besteht. Solarzellen werden aus sogenannten Halbleitern hergestellt. Halbleiter sind Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit sich verbessert, wenn sie erwärmt oder stärker beleuchtet werden.

 

Elektrische Leiter, Nichtleiter und Halbleiter

Es gibt Stoffe, die den elektrischen Strom sehr gut leiten können. Andere Stoffe leiten weniger gut oder gar nicht. Damit elektrischer Strom durch einen Stoff fließen kann, müssen in dem Stoff frei bewegliche Ladungsträger (Elektronen) vorhanden sein. Ob und wie gut ein Stoff elektrischen Strom leitet, hängt also davon ab, wie viele frei bewegliche Elektronen sich in dem Stoff befinden. (>> mehr)

Elektrische Leiter

sind Stoffe, die den elektrischen Strom sehr gut leiten. Sie besitzen viele frei bewegliche Elektronen.

Beispiele: Metalle ( z.B. Eisen oder Kupfer), Kohle, Salzwasser

Elektrische Nichtleiter

oder Isolatoren

sind Stoffe, die den elektrischen Strom nur schlecht oder gar nicht leiten. Sie besitzen so gut wie keine frei beweglichen Elektronen.

Beispiele: Glas, Holz, Gummi, Kunststoff, Öl

Halbleiter

 

sind Stoffe, die den elektrischen Strom besser leiten als Isolatoren, aber nicht ganz so gut wie elektrische Leiter. Sie besitzen in der Regel wenige frei bewegliche Elektronen.

Beispiele: Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Selen, Tellur

 

Elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern

Solarzellen werden meistens aus Silizium hergestellt. Silicium ist ein sogenannter Halbleiter. Halbleiter sind im Allgemeinen keine guten elektrischen Leiter. Bei Zimmertemperatur besitzen Halbleiter nur wenige frei beweglichen Elektronen. Seine Leitfähigkeit ist schlecht. Wird der Halbleiter jedoch erwärmt oder stärker beleuchtet verbessert sich seine Leitfähigkeit.

Bei tiefen Temperaturen oder Dunkelheit

Im Halbleiter sind so gut wie alle Elektronen fest gebunden. Nur sehr wenige Elektronen können sich aus ihrer Bindung zu einem Atom lösen und sind frei beweglich. Der Halbleiter leitet elektrischen Strom nur schlecht.

Bei Erwärmung oder Beleuchtung

Durch eine Erwärmung oder stärkere Beleuchtung wird dem Halbleiter Energie in Form von Wärme, bzw. Licht zugeführt. Diese zusätzliche Energie führt dazu, dass sich mehr Elektronen aus ihren Bindungen lösen. Die Zahl der frei beweglichen Elektronen im Halbleiter nimmt zu. Der Halbleiter kann elektrischen Strom nun besser leiten als zuvor. 

 

Silicium bei tiefen Temperaturen oder Dunkelheit

4 - Funktionsprinzip - Silicium kaltSiliciumatome haben auf ihrer äußeren Schale vier Elektronen. Diese vier Außenelektronen bilden jeweils mit einem Elektron eines Nachbaratoms eine Elektronenpaarbindung. Solange die Elektronen aller Atome gebunden sind, gibt es keine frei beweglichen Elektronen.

 

Silicium bei Erwärmung oder Beleuchtung

4 - Funktionsprinzip - Silicium warmBei Energiezufuhr durch Erwärmung oder Beleuchtung lösen sich einige Elektronen aus ihren Bindungen und werden somit frei beweglich. Jedes einzelne Elektron, das sich aus seiner Bindung löst, lässt eine Lücke zurück, an der nun ein Elektron fehlt. Eine solche Elektronen-Lücke wird auch Defektelektron oder Loch genannt. Ein Loch kann man als positiv geladen ansehen, weil an dieser Stelle die negative Ladung eines Elektrons fehlt. (>> mehr)

 

Silicium mit angelegter Spannung

4 - Funktionsprinzip - Silicium mit SpannungWird an den Siliciumkristall nun eine Spannung angelegt, sieht das so aus als würden zwei Ströme fließen:

  • Ein Elektronenstrom: Die negativ geladenen Elektronen waren zuvor frei beweglich. Sie bewegen sich nun in Richtung Pluspol der Spannungsquelle (im Bild nach rechts).
  • Ein Löcherstrom: Die positiv geladenen Löcher ziehen negativ geladene Elektronen an. So werden Elektronen, die sich in der Nähe des Loches befinden, aus ihrer festen Bindung gelöst und von dem Loch gleich wieder eingefangen. An dem vorherigen Platz des Elektrons ist nun ein Loch entstanden. Dieses neue Loch versucht wieder ein Elektron einzufangen usw. So "hangeln" sich die Elektronen im Bild von links nach rechts. Dadurch sieht es so aus, als würden die Löcher in die entgegengesetzte Richtung wandern (im Bild grüne Pfeile). (>> Simulation)

 

Zur Herstellung von Solarzellen können verschiedene Halbleiter, wie z.B. Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Selen oder Tellur verwendet werden (>> mehr). Da die meisten Solarzellen aus Silicium bestehen, wurden die Vorgänge in Halbleitern an diesem Beispiel erklärt. Die Stoffe Kohlenstoff, Silicium und Germanium sind jedoch alle in der vierten Hauptgruppe des Periodensystems zu finden. Ihre Atome haben somit vier Außenelektronen. Aus diesem Grund ist das Beispiel auf Kohlenstoff und Germanium direkt übertragbar.

 

Solarzellen bestehen aus Halbleitern. Die Leitfähigkeit von Halbleitern ist bei tiefen Temperaturen oder Dunkelheit schlecht. Bei höheren Temperaturen oder Beleuchtung verbessert sich ihre Leitfähigkeit. Mehr Elektronen verfügen nun über die nötige Energie, sich aus ihren Bindungen zu lösen.

 

Quellen:
D. Cieplik (2006): Erlebnis Physik 3, Ausgabe für Rheinland-Pfalz, 9./10. Schuljahr, Schroedel Verlag GmbH, Braunschweig
M. Barmeier, W. Bäurle, M. Bergau (2005): Prisma NWA Physik 4/5, Ausgabe für Baden-Württemberg, Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart
L. Meyer, G. Schmidt (2010): Basiswissen Schule – Physik 5. Bis 10. Klasse, Bibliographisches Institut GmbH, Mannheim, und Duden Paetec GmbH, Berlin
H. Muckenfuß, V. Nordmeier (2007): Physik Interaktiv – Naturwissenschaftliches Arbeiten 1/2, Ausgabe für Baden-Württemberg, Cornelsen Verlag, Berlin

http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle

Der Atomaufbau


 → Veranschaulichung frei beweglicher Ladungsträger in Silicium


Leitung in Halbleitern

Wird ein Halbleiter erwärmt oder stärker beleuchtet, verbessert sich seine Leitfähigkeit. (>> mehr)


Leitfähigkeit verbessern?

Die Leitfähigkeit von Halbleitern lässt sich nicht nur durch Energiezufuhr verändern. Wird ein Halbleiter mit einem anderen Stoff verunreinigt, lässt sich seine Leitfähigkeit gezielt verbessern. (>> mehr)


Halbleitende Stoffe, z.B.:


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