Weil eine Solarzelle als Spannungsquelle dienen soll, muss erreicht werden, dass in der Solarzelle eine Spannung entsteht. Spannung entsteht immer dann, wenn positive und negative Ladungen voneinander getrennt werden. Genau das müsste also auch in der Solarzelle passieren.

 

Spannung in der Solarzelle

Wenn Photonen auf eine Solarzelle treffen, hat das zur Folge, dass sich negativ geladene Elektronen aus ihren Bindungen lösen. Die Elektronen hinterlassen eine Lücke, sogenannte Löcher die positiv geladen sind (da eine negative Ladung fehlt). Damit Spannung entstehen kann, müssen diese beiden Ladungen voneinander getrennt werden. Erreicht wird das mit einem elektrischen Feld (ähnlich dem eines Kondensators >> mehr). Dieses elektrische Feld wirkt nur innerhalb der Solarzelle. Durch das Feld werden die negativen Ladungen (Elektronen) nach oben gezogen. Die positiven Ladungen (Löcher) werden nach unten gezogen. Somit kommt es zu einer Spannung, die dann abgegriffen werden kann.

4 - Funktionsprinzip - Feld 0 neu

 

Entstehung des elektrischen Feldes

Eine Solarzelle besteht meistens aus zwei Silicium-Schichten, die unterschiedlich dotiert sind. Das bedeutet, die Schichten wurden jeweils mit anderen Stoffen verunreinigt (>> mehr). Die obere Schicht wurde n-dotiert. In dieser n-Schicht besteht ein Überschuss an Elektronen (negative Ladungsträger). Die untere Schicht wurde p-dotiert. In dieser p-Schicht befinden sich vermehrt Löcher (positive Ladungsträger).

Jede der beiden Schichten ist jeweils für sich betrachtet neutral geladen. Der Grund: Atome sind in ihrer Grundform immer neutral geladen (d.h. in ihrem normalen Zustand besitzen Atome gleich viele Elektronen wie Protonen >> mehr). Auch die Atome der Stoffe, aus denen eine Silicium-Schicht hergestellt wird, sind neutral geladen. Daher sind die Atome auch nach dem zusammenfügen noch neutral geladen.

4 - Funktionsprinzip - Feld 1Wenn die beiden Schichten nun übereinandergelegt werden, ändert sich die Situation. In der Nähe der Grenze findet nun ein Ladungsaustausch statt. Negativ geladene Elektronen der n-Schicht, die dort keinen Bindungspartner finden, wandern in die p-Schicht und besetzen dort Löcher. Weil die n-Schicht in der Nähe der Grenzschicht negativ geladene Elektronen verliert, ist die n-Schicht in diesem Bereich nun positiv geladen. Die p-Schicht erhält zusätzliche negativ geladene Elektronen und ist daher in dem Bereich der Grenzschicht nun negativ geladen. (>> mehr)

So entsteht in der Grenzschicht ein inneres eletrisches Feld, ähnlich dem eines Kondensators. Der positive Pol des Feldes befindet sich im oberen Bereich der Grenzschicht. Der negative Pol des Feldes befindet sich im unteren der Grenzschicht.

4 - Funktionsprinzip - Feld 2 neu

 

Funktionsprinzip der Solarzelle

Eine Silicium-Solarzelle ist dünner als ein Fingernagel. Die obere Schicht, die dem Licht zugewandt ist, ist besonders dünn. Damit die Sonnenstrahlen durch die n-Schicht hindurch gelangen und auf die Grenzschicht treffen können, ist die n-Schicht nur ca. 0,001 mm dick. Die untere Schicht ist deutlich dicker. Sie erfährt keine Sonneneinstrahlung. (>> mehr)

Wenn Sonnenstrahlen (Photonen) auf die Grenzschicht treffen, werden dort Elektronen aus ihren Bindungen gelöst. Diese negativ geladenen Elektronen übernehmen dabei die Energie der Photonen. Bei den Atomen haben die Elektronen Löcher hinterlassen. Weil hier nun eine negative Ladung fehlt, sind diese Atome positiv geladen.

Durch das vorhandene elektrische Feld, werden die negativen geladenen Elektronen in die obere Schicht der Solarzelle gezogen und sammeln sich dort. Die positiv geladenen Löcher werden in die untere Schicht gezogen.

Die Elektronen können von der oberen Schicht aus nicht direkt wieder zurück, um die Löcher zu schließen, weil ihnen das elektrische Feld entgegenwirkt. Das elektrische Feld wirkt jedoch nur innerhalb der Solarzelle. Daher können die Elektronen, wenn der Stromkreis geschlossen wird, den Weg außen herum nehmen. Sie fließen von der n-Schicht aus, über den oberen Metallkontakt, durch die Leitungen hindurch, bis hin zum Verbraucher (z.B. eine Lampe). Von dort aus fließen die Elektronen weiter durch die Leitungen über den unteren Metallkontakt in die p-Schicht und können dort Löcher besetzen. Der obere Metallkontakt entspricht dem Minuspol der Solarzelle und der untere Metallkontakt dem Pluspol.

 4 - Funktionsprinzip - Feld 3

In einem geschlossenen Stromkreis fließt nun Gleichstrom. Das heißt, der Strom fließt nur in einer Richtung, nämlich vom Metallkontakt oberhalb der n-Schicht zum Metallkontakt unterhalb der p-Schicht. Dieser Gleichstrom kann durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden (>> mehr). Das ist zum Beispiel nötig, falls der durch eine Solarzelle erzeugte elektrische Strom ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden soll (>> mehr).

 

Eine Solarzelle wandelt die Energie von Sonnenstrahlen (Photonen) in elektrische Energie um. Die Energie der Photonen wird auf die negativ geladenen Elektronen in der Solarzelle übertragen. Ein elektrisches Feld zwingt die Elektronen den Weg durch die äußeren Leitungen zu nehmen. Es fließt elektrischer Strom.

 

Quellen:
M. Barmeier, W. Bäurle, M. Bergau (2005): Prisma NWA Physik 4/5, Ausgabe für Baden-Württemberg, Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart
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
L. Meyer, G. Schmidt (2010): Basiswissen Schule – Physik 5. Bis 10. Klasse, Bibliographisches Institut GmbH, Mannheim, und Duden Paetec GmbH, Berlin

Transferstelle Bingen (2006): Rationelle und Regenerative Energienutzung, C.F. Müller Verlag, Heidelberg

http://www.physik-wissen.de/solarenergie.htm

Joomla templates by Joomlashine