Eine Solarzelle besteht meist aus zwei Schichten des gleichen Halbleitermaterials. Die Halbleiterschichten, werden jeweils mit anderen Stoffen Verunreinigt. Das bedeutet in den Halbleiter werden Atome eines anderen Stoffes (Fremdatome) eingebaut. Dieses absichtliche Verunreinigen des Halbleiters nennt man Dotieren. Dabei werden dem Halbleiter Fremdatome hinzugefügt, die ein Außenelektron mehr oder weniger haben als die Atome des reinen Halbleiters. (>> mehr)

 

Gründe für das Dotieren (Verunreinigen)

  • Die beiden Halbleiterschichten einer Solarzelle müssen so gebaut sein, dass sie bestimmte Eigenschaften haben (>> siehe unten). Wenn die Schichten später übereinandergelegt werden, muss zwischen ihnen ein elektrisches Feld entstehen. Das elektrische Feld sorgt dafür, dass positive und negative Ladungen getrennt werden und somit eine Spannung entsteht. (>> Zusammenwirken der beiden Halbleiterschichten)
  • Ob und wie gut ein Stoff elektrischen Strom leitet, hängt davon ab, wie viele frei bewegliche Ladungsträger sich in dem Stoff befinden. Durch das Verunreinigen mit einem anderen Stoff lässt sich die Leitfähigkeit des Halbleiters gezielt verbessern. (>> Elektrische Leiter, Nichtleiter und Halbleiter)

 

Arten des Dotierens

  • Fremdatome, die ein Außenelektron mehr haben als die Atome des reinen Halbleiters, sorgen im Halbleiter dafür, dass mehr Elektronen (negative Ladungsträger) vorhanden sind, als gebunden werden können. Man bezeichnet den Halbleiter als n-dotiert.
  • Fremdatome, die ein Außenelektron weniger haben als die Atome des reinen Halbleiters, sorgen im Halbleiter dafür, dass weniger Elektronen vorhanden sind, als durch die Atome gebunden werden können. In dem Halbleiter befinden sich sogenannte Löcher, bzw. Defektelektronen (positive Ladungsträger). Man bezeichnet den Halbleiter als p-dotiert.

 

Das Dotieren von Silicium

4 - Funktionsprinzip - Silicium kaltSolarzellen bestehen meistens aus Silicium. Siliciumatome haben vier Außenelektronen. Diese Außenelektronen können jeweils mit einem Elektron eines Nachbaratoms eine Elektronenpaarbindung bilden. Dem Silicium-Kristall werden nun Fremdatome hinzugefügt. In etwa wird jedes Millionste Siliciumatom wird durch ein Fremdatom ersetzt. Auf diese Weise kann man zwei Siliciumschichten erzeugen. Eine n-dotierte Schicht und eine p-dotierte Schicht. (>> mehr)

n-dotierte Schicht

4 - Funktionsprinzip - Silicium n-dotiertUm eine Schicht mit einem Überschuss an negativen Ladungsträgern zu erhalten, muss Silicium mit Fremdatomen dotiert werden, die ein Außenelektron mehr haben als Silicium. Siliciumatome haben vier Außenelektronen. Phosphor-, Arsen-, Antimonatome haben fünf Außenelektronen. Wird zum Beispiel Phosphor in Silicium eingearbeitet, können vier Außenelektronen der Phosphor-Atome mit den vierwertigen Siliciumatomen Elektronenpaarbindungen eingehen. Vier der fünf Außenelektronen des Phosphors sind somit fest gebunden. Jeweils ein Außenelektron der Phosphoratome kann nicht gebunden werden. Es entspricht daher einem frei beweglichen, negativen Ladungsträger. Wegen dem Überschuss an negativen Ladungsträgern wird die verunreinigte Siliciumschicht auch n-Schicht genannt. (>> mehr)

p-dotierte Schicht

4 - Funktionsprinzip - Silicium p-dotiertUm eine Schicht mit einem Überschuss an positiven Ladungsträgern zu erhalten, muss Silicium mit Fremdatomen dotiert werden, die ein Außenelektron weniger haben als Silicium. Siliciumatome haben vier Außenelektronen. Bor-, Gallium-, Indium- und Aluminiumatome haben drei Außenelektronen. Wird nun zum Beispiel Bor beigefügt, gehen alle drei Außenelektronen der Bor-Atome mit drei Außenelektronen des Siliciums Elektronenpaarbindungen ein. Dem vierten Außenelektron der Siliciumatome fehlt für eine feste Bindung ein anderes Außenelektron. Es bleibt eine Elektronenfehlstelle zurück, ein sogenanntes Loch. Da an einer solchen Stelle die negative Ladung eines Elektrons fehlt, entspricht ein Loch einem positiven Ladungsträger. Ein Loch zieht daher negativ geladene Elektronen an. Ein fest gebundenes Elektron, das sich in der näheren Umgebung des Loches befindet, kann sich aus der Elektronenpaarbindung lösen und das Loch besetzen. Dadurch entsteht jedoch an der anderen Stelle ein Loch.... usw. Elektronen wandern also von Loch zu Loch, sie besetzen Löcher und es entstehen neue Löcher. Dadurch sieht es so aus, als würden die positiv geladenen Löcher wandern. Ein Loch entspricht also einem frei beweglichen, positiven Ladungsträger. Wegen dem Überschuss an positiven Ladungsträgern wird die verunreinigte Siliciumschicht auch p-Schicht genannt. (>> mehr)

 

Die Schichten sind neutral geladen

In der n-Schicht einer Solarzelle besteht also ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen. In der p-Schicht besteht ein Überschuss an positiven Ladungsträgern. Dennoch sind die beiden Schichten, jeweils für sich betrachtet neutral geladen. Der Grund hierfür ist, dass Atome in ihrer Grundform immer neutral geladen sind. Die Anzahl der Elektronen in der Hülle eines Atoms ist genauso groß wie die Anzahl der Protonen im Kern des Atoms. Weil die Atome des Halbleiters und die beigefügten Fremdatome zuvor jeweils neutral waren (d.h. gleich viele Elektronen wie Protonen hatten), sind sie es auch noch nachdem sie zusammengefügt wurden. (>> mehr)

 

Solarzellen werden meist aus Silicium hergestellt, einem Halbleiter. Das Silicium wird so bearbeitet, dass zwei verschiedene Schichten entstehen. Ziel ist es, zwischen den Schichten ein elektrisches Feld zu erzeugen.

 

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

F. Kliche, I. Draeger (2011): Schulpacket Solarsupport – Sekundarstufe, 2. Auflage, Unabhängiges Institut für Umweltfragen, Berlin
U. Aeschbacher, E. Huber, B. Seiler (2002): Vor wandernden Löchern wird gewarnt - Die Solarzelle laienfreundich erklären, Praxis der Naturwissenschaften/ Physik in der Schule, 2002,1/51

H. Muckenfuß, V. Nordmeier (2007): Physik Interaktiv – Naturwissenschaftliches Arbeiten 1/2, Ausgabe für Baden-Württemberg, Cornelsen Verlag, Berlin

http://www.physik-wissen.de/solarenergie.htm
http://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/photovoltaik.html
http://m.schuelerlexikon.de/mobile_physik/Elektrischer_Strom_und_seine_Wirkungen.htm

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