Strom aus Licht - Institut für naturwissenschaftliche Grundlagen

Kapitel 4: Solarzellen 35
Oft sind Solarzellen rund. Sie haben dann einen Durchmesser von ca. 6 - 10 cm. Das kommt
vom Herstellungsprozess her. Das Silizium stammt aus dem in Fülle vorhandenen Quarzsand
(SiO 2 ). Nach der Reduktion wird es auf verschiedene Arten bestmöglichst gereinigt. Halbleiter-
Silizium ist der Stoff, der am reinsten hergestellt wird! Anschliessen zieht man aus dem
geschmolzenen Silizium zylinderförmige Einkristalle von etwa 10 cm Durchmesser und 50 cm
Länge. Diese schneidet man mit Spezialsägen in dünne Scheiben. Aus Kostengründen ist die
ganze Solarzelle bloss etwa 0.2 - 0.5 mm dick.
Das Bor für die p-Dotierung kann bereits beim Herstellen der Einkristalle hinzugefügt
werden. Wenn man die Scheiben erhitzt und einer Phosphor-haltigen Gasatmosphäre aussetzt,
entsteht der dünne n-Halbleiter an der Oberfläche. Er muss so dünn gemacht, damit möglichst
viel Licht durch ihn hindurch bis zur Verarmungsschicht vordringen kann. "Dünn" heisst hier ca.
0.2 µm, ein Bruchteil eines tausendstel Millimeters. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist
ca. 50 -100 mm dick. Der n-Halbleiter ist also etwa 500 mal dünner als ein Haar.
Die in der Solarzelle freigesetzten Ladungen müssen wir natürlich über Kontakte wegleiten.
Auf der Vorderseite befindet sich der Front-Kontakt. Damit viel Licht in den Halbleiter gelangt,
soll dieser Kontakt möglichst wenig Oberfläche abdecken. Er besteht deshalb aus schmalen
Streifen aus Silber, die im Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Die Rückseite dagegen ist
vollständig mit dem Rück-Kontakt aus Silber bedeckt, damit der elektrische Widerstand
möglichst gering wird.
Der glattpolierte Halbleiter spiegelt ähnlich wie ein Metall. Gespiegeltes Licht ist jedoch verlorene
Energie. Deshalb wird auf der Frontseite noch eine dünne Schicht aus SiO 2 , Ta 2 O 3 usw.
aufgedampft, welche die Reflexion vermindert. Sie ist bloss etwa 0.2 µm dick, halb so viel wie
die Lichtwellenlänge. Die Oberflächenbehandlung ist verantwortlich für die bekannte blaue
Farbe von guten Zellen. Diese können nämlich auch den Blauanteil im Sonnenlicht ausnützen.
Aufgabe 4.1
-
Prüfen Sie sich selbst! Legen Sie das Leitprogramm zur Seite und
skizzieren Sie aus dem Gedächtnis den Schnitt durch eine Solarzelle.
Notieren Sie stichwortartig die Funktionen der einzelnen Teile. Haben
Sie noch eine Ahnung von der geringen Dicke der Schichten?
Eine einzelne Silizium-Solarzelle der Grösse 10 cm x 10 cm liefert nur etwa 0.5 V Spannung
und bei mittlerer Beleuchtung einen Strom von 1 A. (Im Experiment 4.1 werden Sie selber
Messungen durchführen.) Meist braucht man jedoch eine grössere Leistung mit einer höheren
Spannung und mehr Strom. Dann schaltet man mehrere Solarzellen serie oder parallel oder beides
zugleich zusammen.
Aufgabe 4.2
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a) Wie gross ist der Wirkungsgrad einer typischen Monokristall-Solarzelle?
Gehen Sie von den oben angegebenen Daten aus: mittlerer Lichteinfall
mit 500 W/m 2 . Zellenfläche = 10 cm x 10 cm; abgegebene Elektrizität
mit 0.5 V und 1 A.
b) Welche Grösse wächst durch eine Serieschaltung mehrerer Solarzellen?
c) Welche Grösse wächst durch eine Parallelschaltung mehrerer Solarzellen?
ETH-Leitprogramm Physik
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