Solarzellen / Fotoelemente

Solarzellen sind photovoltaische Scheiben, die zu Solarmodulen mit Stromanschlüssen und Schutzschicht zusammengefasst werden. Als Halbleiterwerkstoff werden Silizium (Si), Germanium (Ge), Galliumarsenid (GaAs) oder Cadmiumsulfid (CdS) eingesetzt.

Aufbau einer Solarzelle/Fotoelement

Solarzellen bzw. Fotoelemente sind wie Halbleiterdioden aufgebaut. Eine Silizium-Solarzelle besteht aus einer sehr dünnen n-Silizium-Schicht, die an der Oberfläche liegt. Sie ist in eine p-leitende Schicht eindotiert. Am pn-Übergang entsteht durch Ladungsträgerdiffusion eine Raumladungszone, die fast die gesamte n-Schicht einnimmt. In der Raumladungszone ist ein elektrisches Feld entstanden. Durch das eindringende Licht werden Elektronen aus dem Halbleiterkristall herausgelöst. Die Photonen des Lichts zerschlagen die Kristallbindungen. Die Elektronen im elektrischen Feld der Grenzschicht wandern in die n-Schicht des Halbleiters. Die Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt. Als negative Ladungsträger sind sie einer entgegengesetzten Kraftwirkung ausgesetzt. Die entstehenden Löcher im elektrischen Feld der Grenzschicht wandern in Feldlinienrichtung in die p-Schicht. Es entsteht eine p-Schicht mit einem Überschuss an positiven Ladungsträgern (freigesetzte Löcher, Elektronenmangel) und eine n-Schicht mit einem Überschuss an negativen Ladungsträgern (freigesetzte Elektronen, Elektronenüberschuss).
Durch die Ladungstrennung entsteht eine Spannungsquelle, die einem angeschlossenen Verbraucher Strom liefern kann. Die Größe der Spannung steht im Zusammenhang mit der Grenzschichtspannung.
Bei ausreichendem Lichteinfall liefert eine Siliziumsolarzelle etwa 0,5V. Je cm² kann sie eine Stromentnahme von ca. 20 mA aufrechterhalten ohne das die Spannung einbricht.
Es gibt auch Fotoelemente mit dünner obenliegender p-Schicht und untenliegender n-Schicht. Sie haben verschiedene Nachteile und werden deshalb seltener hergestellt.

Anwendungen

Fotoelemente werden zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie verwendet. Sie werden oft zur Energieversorgung eingesetzt. Aufgrund des geringen Wirkungsgrads und der teuren Herstellung sind sie für viele Anwendungsgebiete noch nicht geeignet. Vor allem auch deshalb, weil der Stromverbrauch der Menschheit kontinuierlich zunimmt.

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