Strom aus Licht - Institut für naturwissenschaftliche Grundlagen

Kapitel 4: Solarzellen 36
4.2 Funktionsweise von Solarzellen
Im vorangegangenen Abschnitt haben Sie gelernt, dass eine Solarzelle prinzipiell nichts
anderes als eine Halbleiterdiode ist. Im Kapitel 3 haben Sie die Dioden jedoch bloss als Stromventile
und Verbraucher angetroffen. Es geht also darum, zu verstehen, wie durch die Umkehrung
der Prozesse aus einem Verbraucher eine Strom- oder Spannungsquelle wird.
Im Zentrum stehen die Ihnen aus den Kapiteln 2 und 3 bekannten Wechselwirkungen
zwischen einem Photon und einem der vier Valenzelektronen des Halbleiters:
• Innerer Photoeffekt: Lichtenergie wird zugeführt. Das Photon setzt ein Elektron-Loch-Paar im
Halbleiter frei.
• Leuchtdiode: Elektrische Energie wird zugeführt, sie erzeugt ein Elektron-Loch-Paar. Dieses
rekombiniert im Halbleiter und setzt ein Photon frei.
Es handelt sich offensichtlich um ein und denselben Prozess, der vorwärts oder rückwärts
durchlaufen wird! Effektiv kann man einer Leuchtdiode Licht zuführen und elektrische Energie
in winzigen Mengen herausholen. Man spricht dann von einer Photodiode. Für die Photovoltaik
muss "bloss" noch die Oberfläche vergrössert werden. In der Figur 4.2 ist der bekannt p-n-
Übergang mit dem darin ablaufenden inneren Photeffekt nochmals schematisch dargestellt:
Photonen
Elektron-Loch-
Paare
Legende
- +
p-Halbleiter
n-Halbleiter
freie Elektronen
freie Löcher
elektrisches Feld
Verschiebung ...
... der Löcher
... der Elektronen
Plus-Pol
- +
Minus-Pol
p-Halbleiter
- +
n-Halbleiter
Verarmungszone
Figur 4.2: Schematisierter p-n-Übergang mit innerem Photoeffekt
Das Licht erzeugt in der Verarmungszone des p-n-Übergangs ein Elektron-Loch-Paar. Die
beiden beweglichen Ladungen werden vom inneren Feld getrennt: Ein Elektronen-Überschuss
entsteht so im n-Halbleiter; er wird zum Minus-Pol. Ein Löcher-Überschuss, also ein Elektronenmangel,
entsteht im p-Halbleiter; dieser wird zum Plus-Pol der neuen Stromquelle.
Der innere Photoeffekt kann bekanntlich nur durch Photonen ausgelöst werden, die genügend
Energie hf besitzen. Das bedeutet, dass das Licht eine genügend hohe Frequenz, respektive eine
genügend kurze Wellenlänge haben muss. Für Silizium ist die Energie etwa E = 10 -19 J. Die
maximale Wellenlänge beträgt demnach rund 1 µm. Silizium kann also schon IR-Licht ausnutzen.
Die Sonne strahlt jedoch am meisten grünes Licht aus. Beim inneren Photoeffekt wird
nicht die ganze Energie des Photons benötigt; aus dem Rest entsteht Wärme. Dies ist ein unumgänglicher
Verlust.
ETH-Leitprogramm Physik
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