| Themen-Auswahl | ENERGIE-WISSEN | Leitseite |
|
Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle |
Durch die Dotierung wird zunächst lediglich eine Verstärkung des Halbleiter-Effekts erreicht. Das heißt, daß Stoffe wie Silizium, Germanium, Selen oder Tellur durch die Einwirkung von Licht oder Wärme ihren elektrischen Widerstand mehr oder weniger stark verringern. Interessant wird es jedoch, wenn man eine n-leitende Halbleiterschicht mit einer p-leitenden zusammenbringt. Die Kontaktfläche wirkt dann als Sperrschicht für die elektrischen Ladungen auf beiden Seiten. Allerdings ist diese Sperrschicht nicht gänzlich unpassierbar. Ob sie von Elektronen überwunden wird, hängt z.B. von der Spannung und von der Richtung des Stromes ab. Grundsätzlich wird sie leichter von n(egativ) nach p(ositiv) als in umgekehrter Richtung überwunden. Legt man an einen solchen np-Übergang eine elektrische Spannung an, läßt er sich deshalb als Gleichrichter (Diode) oder zur Spannungsbegrenzung (Zenerdiode) verwenden.
Werden die n- und p-leitenden Teile einer solchen Diode dem Licht ausgesetzt, bewirken die auftreffenden Photonen einen Überschuß bzw. Mangel an Elektronen in den jeweiligen Schichten und damit eine elektrische Ladung. Da der np-Übergang durch seine Sperrwirkung einen Ausgleich dieser elektrischen Ladung verhindert, läßt sie sich über entsprechende Kontakte abgreifen und als Strom nutzen - das Prinzip der Solarzelle!
Die Solarzelle ist also grundsätzlich wie eine Halbleiter-Diode aufgebaut. Beide verfügen über einen np-Übergang, was sie vom einfachen Halbleiter bzw. bloßen photoelektrischen Widerstand unterscheidet. Die Solarzelle funktioniert sozusagen wie eine umgekehrte Diode, die unter dem Einfluß von Licht elektrischen Strom abgibt, statt an eine Spannung angeschlossen zu sein und diese gleichzurichten.
Obwohl der Dioden-Effekt des np-Übergangs bei Halbleitern schon seit 1939 bekannt war, führte er nicht geradewegs zur Konstruktion von Solarzellen, sondern zunächst zur Entwicklung des Transistors. Die Anstrengungen der Forscher konzentrierten sich nicht auf den einfachen np-Übergang, sondern auf den komplizierteren pnp-Übergang, von dem man sich versprach, daß er im Prinzip die Funktionen von Anode, Kathode und Steuergitter in einer elektronischen Verstärker-Röhre übernehmen können würde. Tatsächlich gelang es 1948 nach über zwanzigjähriger Forschung auf dem Gebiet der Halbleiter-Technologie, den "Transistor" als technisch einsetzbares Verstärkerbaulement zu entwickeln. Beim pnp-Transistor (der genauso als npn-Transistor ausgeführt sein kann), entsprechen die beiden äußeren Schichten als Kollektor und Emitter der Anode und Kathode der Verstärkerröhre, während die mittlere Schicht als Basis dem Steuergitter entspricht.
Der Transistor hat nicht nur die ehemaligen Verstärkerröhren in den Rundfunkgeräten abgelöst, sondern völlig neue Bereiche erschlossen. Mit ihm begann das Zeitalter der Mikroelektronik und der Computer, das auf der Nutzung des pnp-Übergangs als logisches Schaltelement beruht.
Ein weiterer Verwandter der Solarzelle ist der Thyristor. Dabei handelt es sich um einen steuerbaren Silizium-Gleichrichter, der Anfang der sechziger Jahre entwickelt wurde. Der Thyristor besitzt einen pnpn-Übergang. Über Spannungssteuerung an einer der Innenschichten läßt er sich auf Stromdurchgang oder -sperre schalten. Er arbeitet also wie ein elektronischer Schalter. Im Gegensatz zum Transistor vermag er auch sehr starke Ströme zu steuern.