Prinzipieller Aufbau

Die klassische Silizium-Solarzelle besteht aus einer ca. 0,001 mm dicken n-Schicht, welche in das ca. 0,6 mm dicke p-leitende Si-Substrat eingebracht wurde. Den Übergang zwischen n-Schicht und p-Substrat nennt man p/n-Übergang oder einfach Grenzschicht. Bei der monokristallinen Siliziumsolarzelle wird die n-Schicht durch oberflächennahes Einbringen (dotieren) von ca. 1019 Phosphor-Atomen / cm³ in das p-leitende Si-Substrat erzeugt. Die n-Schicht ist so dünn, damit das Sonnenlicht besonders in der Raumladungszone am p/n-Übergang absorbiert wird. Das p-leitende Si-Substrat muss dick genug sein, um die tiefer eindringenden Sonnenstrahlen absorbieren zu können und um der Solarzelle mechanische Stabilität zu geben.

Aufbau der Grenzschicht

Durch Einbringen weniger 5-wertiger Phosphoratome in das 4-wertige Silizium wird dieses n-dotiert, d.h. es ist nach außen elektrisch neutral, aber das zusätzliche Valenzelektron (blau - gezeichnet) ist relativ frei beweglich. Durch Einbringen weniger 3-wertiger Boratome in das 4-wertige Silizium wird dieses p-dotiert, d.h. es ist nach außen elektrisch neutral, aber das für das 4.Valenzelektron aufgehobene positive Loch ( rot - gezeichnet) ist relativ frei beweglich. An der Grenzschicht zwischen n- und p-Schicht diffundieren die Löcher in die n-Schicht und die Elektronen in die p-Schicht und es entsteht dadurch eine von freien Ladungsträgern verarmte Raumladungszone einer bestimmten Breite. Durch diese Verschiebung hat das n-Gebiet positive, das p-Gebiet negative Raumladung. Vergleiche hierzu auch die Grundwissensseite über die Dotierung.

Auslösen von Elektron-Loch-Paaren durch Photonen

Die Raumladung ist der eigentliche "Motor" der Solarzelle. Trifft Licht (Photonen - grün) in die Raumladungszone, so "wirft" es ein negatives Elektron aus dem positiven Loch. Beide wandern entsprechend der durch die Raumladungszone aufgebauten Feldkraft, das Elektron zur positiven Raumladung im n-dotierten Bereich, das positive Loch zur negativen Raumladung im p-dotierten Bereich und es entsteht an den Metallkontakten eine Spannung von ca. 0,5 V die an einem Verbraucher einen elektrischen Strom erzeugt. Je intensiver die Beleuchtung und je großflächiger die Grenzschicht ist, desto mehr Elektronen-Loch-Paare entstehen und umso größer ist dann auch die Stromstärke, welche die Solarzelle liefern kann. Pro Quadratzentimeter beleuchteter Solarzellenfläche kann man mit einer Stromentnahme von etwa 20 mA rechnen. Da nicht jedes "Lichtteilchen" ein Elektron-Loch-Paar bildet und ein Elektron mit einem Loch wieder rekombinieren kann und dabei nur Wärme produziert (die Rekombination steigt mit der Betriebstemperatur), ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle begrenzt. Er liegt heute im Bereich von 10% - 18%.