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Sonnenenergie

Wie wird aus Sonne Strom

Diese Frage ist nicht ganz so einfach zu beantworten. Der folgende Text soll es allgemein verständlich und trotzdem korrekt erklären. Dazu muss der Leser zuerst mit etwas grauer Theorie gelangweilt werden.

Halbleiter, Dotierung, p-­n-Übergang – Was bedeutet denn der ganze Quatsch?

Man stelle sich Silizium vor, das hat vier Aussenelektronen, die verbinden sich jeweils mit einem Aussenelektron vom Nachbaratom. So entsteht ein Atomgitter (man erinnert sich vielleicht noch dunkel an den Chemieunterricht). Wird das Silizium mit Phosphor dotiert (Das heißt man baut hin und wieder mal ein Phosphoratom ins Silizium ein) dann gibt es einen Elektronen Überschuss, denn Phosphor hat fünf Aussenelektronen. Eines ist also zuviel und hat keinen Partner um eine Bindung einzugehen. 

silin.png

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 1: Ein Phosphor-­Elektron hat keinen Bindungspartner

Dieses arme, allein gelassene, Elektron ist ungebunden und kann sich als freier Ladungsträger
bewegen.  Das nennt man dann einen n­dotierten Halbleiter. n­Dotiert, weil der bewegliche
Ladungsträger ein (n)egativ geladenes Elektron ist. Halbleiter weil im Silizium, von Hause aus noch
keine beweglichen Ladungsträger vorhanden sind. Im Gegensatz zu Leitern, wie z.B. Kupfer, wo es
die einfach so gibt.
Man kann auch mit Atomen dotieren die ein Aussenelektron zu wenig haben. Z.B. mit Aluminium.
Es fehlt also ein Elektron und damit gibt es an dieser Stelle ein „Loch“
silip.png

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 2 Das Aluminium hat ein Elektron zu wenig.

Das ist dann ein p­dotierter Halbleiter. Das Loch ist positiv weil es aus einem fehlenden Elektron besteht (etwas negatives zu wenig, das ist wie als wenn etwas positives da wäre). Wenn ein Elektron
von einem Nachbaratom dieses Loch auffüllt, dann entsteht beim Nachbaratom ein Loch. Das Loch
kann also Wandern und verhält sich wie ein freier positiver Ladungsträger.
Die Theorie ist fast geschafft. Es muss nur noch diskutiert werden, was passiert wenn man p­ und n­
dotierte Halbleiter zusammenbringt.
Die freien Elektronen und die Löcher ziehen sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Ladung an. Beim
p­n­Übergang vereinigen sich Elektronen und Löcher. Dabei Lädt sich der n­dotierte Bereich positiv
auf, denn da fehlen jetzt Elektronen. Genauso wie im p­dotierten Bereich positiv geladene Löcher
fehlen (dieser Bereich lädt sich negativ auf). Zwischen den unterschiedlich geladenen Bereichen
entsteht ein elektrisches Feld. Je mehr Elektronen und Löcher vereinigt werden, umso stärker wird
dieses Feld. Irgendwann ist es so stark das es die Elektronen und die Löcher im n­ b.z.w. p­dotierten
Bereich festhält. Dann können sich keine weiteren Elektronen mit Löchern vereinigen.
Das sieht jetzt folgendermaßen aus:
pn.jpg

 

 

 

 Abb. 3

Es gibt da also einen n­dotierten Bereich der aufgrund „abgewanderter“ Elektronen positiv geladen
ist. Am p­n­Übergang gibt es einen Bereich ohne Ladungsträger. Denn dort haben sich alle
Elektronen und Löcher vereinigt (die so genannte Raumladungszone).  Und es gibt den p­dotierten
Bereich. Der ist jetzt aufgrund abgewanderter Löcher negativ geladen. Das Feld zwischen den
verschieden geladenen Bereichen verhindert das sich noch mehr Elektronen und Löcher vereinigen.
Soviel zur Theorie. mit diesem Vorwissen kann man jetzt die Solarzelle erklären.
Woraus besteht so eine Solarzelle und was passiert wenn Licht darauf fällt?
Eine Solarzelle besteht aus genau so einem p­n­Übergang. (Aber mit Elektroden um den Strom
abzunehmen)
  solarzelle1.png

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 4

Wie oben beschrieben vereinigen sich einige Elektronen und Löcher. Es entsteht ein Bereich ohne
freie Ladungsträger (keine ungebundenen Elektronen, keine Löcher) und ein elektrisches Feld.
solarzelle2.png















Abb. 5:p-­n-­Übergang im Gleichgewicht. Wie in Abb. 3

Wenn Licht auf die Solarzelle fällt werden Elektronen in der Raumladungszone angeregt. (Sie
bekommen Energie, kriegen sozusagen einen kleinen Tritt und fliegen aus ihren Löchern)
durch die Lichtenergie wurde also wieder ein Elektronen­Loch­Paar erzeugt. Der p­n­Übergang ist
jetzt nicht mehr im Gleichgewicht.
solarzelle3.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 6

Und wo kommt da jetzt Strom?

Durch das elektrische Feld wandern die Elektronen zur negativen Elektrode (im Bild blau) und die
Löcher zur Positiven (rot). Die freien Elektronen im n­dotierten Bereich (Leitungsband) sind auf
einem höheren Energieniveau als die „lochfüllenden“ Elektronen im p­dotierten Bereich.
solarzelle4.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 7

Wenn Elektronen durch einen Stromkreis fließen, dann kann diese Differenzenergie von
Verbrauchern (z.B. eine Glühbirne) genutzt werden.
Man kann sich das etwa so vorstellen, wie Wasser das von einem höheren Becken, durch ein
Wasserrad, in ein niedrigeres Becken fließt.
Wenn kein Licht mehr auf die Solarzelle fällt dann werden auch keine neuen Elektronen­Loch­Paare
in der Raumladungszone gebildet. Die Löcher fließen in den p­dotierten und die Elektronen in den
n­dotierten Bereich. Es stellt sich wieder der Gleichgewichtszustand wie in Abb. 5 ein.
So ich hoffe dass das halbwegs verständlich gemacht hat, warum aus einer Solarzelle Strom raus
kommt. Für den besonders Interessierten Laien oder auch für Leute Die gerne schlaumeiern sei
noch etwas über Dünnschichtsolarzellen gesagt. Um Elektronen­Loch­Paare zu erzeugen muss das
Licht die Raumladungszone erreichen. Dazu muss es aber erst einmal durch den Rest (Denn die
RLZ befindet sich in der Mitte). Dabei verliert das Licht an Intensität und die Solarzelle letztendlich
an Wirksamkeit. Die Idee diese absorbierende Schicht möglichst dünn zu machen liegt also recht
nahe.
 

 

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