Solarzellen, auch bekannt als photovoltaische Zellen (PVs), bezeichnen eine schnell wachsende Klasse von Geräten für erneuerbare Energien, die Sonnenstrahlen (Photonen) in Strom umwandeln. Es gibt zahlreiche Formen von Solarzellen, insbesondere im Hinblick auf das aktive Material, das Sonnenstrahlen in Strom umwandelt. Bei den traditionellsten Solarzellen kommen anorganische Materialien als aktives Medium zum Einsatz. Demgegenüber wird bei modernen Solarzellen alles von organischen Materialien bis hin zu gedruckten Materialien verwendet. In diesem Beitrag befassen wir uns mit den traditionellen anorganischen Solarzellen, denn obwohl die neueren Klassen andere Vorteile bieten (bedruckbar, flexibel), sind die anorganischen Solarzellen immer noch die am weitesten verbreiteten und effizientesten Solarzellen, die gegenwärtig im Einsatz sind.

Solarzellen arbeiten nach dem Prinzip des photoelektrischen Effekts, bei dem ein Material aufgrund eines chemischen und physikalischen Phänomens bei Lichteinfall Spannung und Strom erzeugt. In anorganischen Solarzellen wird üblicherweise Silizium verwendet, das dotiert wird, um einen halbleitenden Übergang zu schaffen. In vielen Fällen verwenden Entwickler Silizium auf beiden Seiten des Übergangs, wobei eine Seite mit einem Atom dotiert ist, das ein Elektron weniger hat als Silizium (p-Typ), und die andere Seite mit einem Atom dotiert ist, das ein Elektron mehr hat als Silizium (n-Typ). In der Regel wird das Silizium mit Bor oder Gallium und Phosphor dotiert, um p- bzw. n-leitende Halbleiterbereiche zu erzeugen. Seit einigen Jahren werden statt Silizium vermehrt verschiedene Nanomaterialien verwendet, da diese häufig einen höheren Wirkungsgrad der Geräte ermöglichen. Doch obwohl diese Wirkungsgrade höher sind als die von Silizium, sind Solarzellen auf Siliziumbasis immer noch die am häufigsten verwendeten anorganischen Solarzellen.

Ganz gleich, welches Material verwendet wird und ob es sich um zwei unterschiedlich dotierte Siliziummaterialien oder Nanomaterialien handelt – es entsteht ein halbleitender Übergang, bei dem die beiden Bereiche Löcher und Elektronen aufweisen, die durch einen verarmten Bereich getrennt sind. Die Bildung und Ausrichtung der Elektronen und Löcher in dem halbleitenden Übergang hängt im Wesentlichen von den chemischen Eigenschaften des Materials und dem Grad der chemischen Dotierung ab. Wenn das Silizium so dotiert ist, dass es zu einem p-Typ-Bereich wird, kann das dotierte Atom nur drei kovalente chemische Bindungen eingehen, während Silizium vier eingehen kann. Dadurch entsteht eine Lücke an der Stelle, an der eine chemische Bindung sein sollte. Dieses Fehlen einer Bindung wird als Loch bezeichnet, das positiv geladen ist. Wenn das Silizium jedoch mit einem Atom dotiert wird und somit einen n-Typ-Bereich bildet, bleibt das zusätzliche Elektron im Gitter übrig, da die Gittergeometrie von Silizium nur vier Bindungen aufnehmen kann (das Gleiche gilt für viele Nanomaterialien, da häufig Kohlenstoffnanomaterialien verwendet werden, die ebenfalls nur vier kovalente Bindungen aufnehmen können, wenn das Material stabil sein soll). Folglich wird das zusätzliche Elektron im Gitter delokalisiert. Diese dotierten Bereiche werden dann zu lochreichen bzw. elektronenreichen Bereichen.

Bevor die Solarzelle mit Licht bestrahlt wird, sind diese Elektronen und Löcher durch die Verarmungszone getrennt. Die Verarmungszone ist die Grenzfläche zwischen der n-Region und der p-Region und wird oft auch als p-n-Übergang bezeichnet. Diese Grenzfläche ist ein Bereich, in dem einige der Elektronen und Löcher zusammenkommen und dazu führen, dass die anderen positiv und negativ geladenen Ladungsträger durch diese „neutrale Zone“ getrennt werden. Diese neutrale Zone erzeugt auch ein internes elektrisches Feld, das verhindert, dass sich alle Löcher und Elektronen in den beiden Bereichen zusammenfinden.

Die Ladungsträger sind zwar zunächst getrennt, aber das ändert sich, wenn das Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft. Die Lichtphotonen besitzen Energie, die beim Auftreffen der Photonen auf die Solarzelle auf die Löcher und Elektronen übertragen wird, die auf beiden Seiten der Verarmungszone frei sind. Durch diese zusätzliche Energie können sich auch die freien Ladungsträger in die Verarmungszone bewegen. Wenn dies geschieht, verringert sich die Breite der Verarmungszone. Schließlich kann das interne elektrische Feld der energetischen Bewegung der Ladungsträger nicht mehr standhalten und die Elektronen bewegen sich auf die gegenüberliegende Seite des Übergangs, wo sie mit den Löchern rekombinieren. Dadurch entsteht ein konstanter Strom. Sobald die Ladungsträger beginnen, sich zu rekombinieren, vergrößert sich die Verarmungszone wieder. Solange die Solarzelle mit Energie versorgt wird, d. h. mit Licht, kehrt sie jedoch nicht wieder in ihren Ruhezustand zurück. Deshalb fließt, solange Sonnenlicht vorhanden ist, ein kontinuierlicher Strom, der genutzt und gespeichert werden kann. Sobald das Sonnenlicht nicht mehr vorhanden ist, kehrt die Verarmungszone zu ihrer ursprünglichen Dicke zurück und das System wird im Wesentlichen zurückgesetzt, bis wieder Sonnenlicht auf die Zelle trifft.

Fazit

Die anorganische Solarzelle nutzt chemische Prinzipien und die Auswirkungen chemischer Reaktionen, um Sonnenlicht über einen halbleitenden p-n-Übergang effizient in Elektrizität umzuwandeln. Durch die Dotierung zweier Bereiche, beispielsweise von Silizium oder einem anderen anorganischen Material, entsteht ein Bereich, in dem sich entgegengesetzt geladene Teilchen verbinden und unter Sonneneinstrahlung elektrischen Strom erzeugen können. Der Wirkungsgrad von anorganischer Solarzellen ist wesentlich höher als bei anderen Arten von Solarzellen, wobei die verwendeten Materialien von Natur aus hochkristallin sind und ein regelmäßiges Festkörper-Gitter aufweisen. Dadurch sind sie häufig weniger flexibel als andere Arten von Solarzellen. Sie sind jedoch immer noch am weitesten verbreitet. Bis flexible und druckbare Solarzellen ähnliche Wirkungsgrade erreichen, werden anorganische Solarzellen wahrscheinlich noch viele Jahre lang der Spitzenreiter sein.