3. Aufbau und Funktionsweise

Stellvertretend für die anderen Solarzellentypen möchte ich den Aufbau einer Siliziumzelle näher erläutern, das Funktionsprinzip ist jedoch bei allen Solarzellentypen gleich.

Betrachtet man die Atomstruktur eines Silizium (kurz: Si)-Atoms, so stellt man fest, dass sich auf der äußersten Schale 4 Elektronen, die sog. Valenzelektronen, befinden. Man bezeichnet Si daher als 4-wertig. Valenzelektronen sind charakteristisch für jedes Atom, denn je nach ihrer Zahl kann das Atom ebensoviele Bindungen mit Nachbaratomen eingehen. In einem Si-Kristall sind bei tiefen Temperaturen alle Bindungen ausgebildet, daher alle Valenzelektronen relativ fest gebunden und können somit keine Ladungen transportieren.

Silizium ist jedoch ein Halbleiter, das bedeutet: "Mit zunehmender Temperatur (...) kann die Bindung der Elektronen nun stellenweise aufgelöst werden, so dass freie Elektronen entstehen, die als Ladungsträger für einen Strom durch den Kristall zur Verfügung stehen."
Die Leitfähigkeit ist aber noch zu gering und wird deshalb durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen, dem sog. Dotieren, erhöht. Das kann auf zwei Arten geschehen:

1. n-Dotierung: In das Atomgitter wird ein 5-wertiges Atom eingebracht, z.B. Phosphor. Von den 5 Valenzelektronen werden nur 4 benötigt, es bleibt ein locker gebundenes Elektron übrig, ein negativer Ladungsträger, deshalb n-Dotierung.

2. p-Dotierung: Beim Einbringen eines 3-wertigen Stoffes, z. B. Bor können nur 3 Bindungen ausgebildet werden und es entsteht ein sog. "Loch" oder "Defektelektron. In das kann aber jetzt ein Valenzelektron aus einer benachbarten Bindung "hineinfallen", was aber wiederum ein anderes Valenzelektron nachsichzieht, das in das neue Loch fällt usw. Da sich die Löcher immer in die entgegengesetzte Richtung wie die Elektronen bewegen, spricht man von ihnen als positive Ladungsträger.

Sowohl n-dotiertes als auch p-dotiertes Silizium sind insgesamt elektrisch neutral, da sich die Ladungen der Elektronen und der Protonen in den Kernen genau ausgleichen (es wurden ja elektrisch neutrale Fremdatome eindiffundiert).

Im Schnitt kommt auf jedes Millionste Si-Atom ein Fremdatom, doch das reicht aus um die Leitfähigkeit enorm zu steigern.
Setzt man eine p- oder n-dotierte Siliziumscheibe nun dem Sonnenlicht aus, dann werden zwar durch den Photoeffekt Elektronen herausgelöst, doch "wird das freie Elektron innerhalb kürzester Zeit (1/1.000.000 s) wieder eingefangen, Elektron und Loch "rekombinieren".

Man benötigt also ein elektrisches Feld, welches die Ladungen trennt, bevor sie wieder rekombinieren können. Genau ein solches entsteht, wenn p- und n-dotiertes Material zusammengebracht werden:

Aus dem n-dotiertem Silizium "wandern" nun aufgrund des hiesigen Elektronenüberschusses Elektronen nahe dem p-Silizium hinüber, weil dort ja ein Elektron für die vierte Bindung fehlt, also Elektronenmangel herrscht.
Genauso setzt auch im p-dotieren Material ein "Wandern" der Defektelektronen ins n-Silizium ein um den dortigen Überschuß der Elektronen auszugleichen. In Wahrheit bewegen sich natürlich nicht die Löcher, sondern springen wieder Elektronen aus dem n-Bereich in den p-Bereich hinüber und lassen dort ein Loch zurück.
Waren die dotierten Siliziumscheiben vorher neutral, so ist nun durch die Elektronenwanderung das p-dotierte Sillizium negativ geladen, das n-dotierte Silizium aber positiv geladen.
Die Raumladungszone, d.h. der Bereich, in dem der Ladungsaustausch erfolgt, ist auf etwa 1µm begrenzt, da nun durch das aufgebaute elektrische Feld die Abstoßung gleichnamiger Ladungen überwiegt. Es sind in dieser Zone auch keine freien Ladungsträger mehr vorhanden, da alle Elektronen an den Valenzbindungen beteiligt sind.

Wird jetzt eine solche Solarzelle mit Licht bestrahlt, so lösen Photonen mit genügend großer Energie (bei Silizium 1,2 eV) Valenzelektronen aus ihrer Bindung heraus und diese werden aufgrund des elektrischen Feldes zum positiv geladenen n-Silizium hin befördert. Die zurückbleibenden Löcher entsprechend zum negativ geladenen p-Silizium. Es baut sich eine Spannung auf die im Bereich 0,4 - 0,9 Volt – je nach Zelltyp – liegt.
Weil nur in der Umgebung der Grenzschicht die Elektron-Loch-Paare getrennt werden können, muß man dafür sorgen, dass möglichst viele Photonen bis dahin durchdringen und ihre Energie nicht schon vorher abgeben (siehe 4.1 Herstellungsverfahren!).

Jetzt müssen noch Kontaktelektroden angebracht werden und es kann Strom fließen! Für die lichtabgewandte Seite verwendet man eine ganzflächige Elektrode, um es möglichst vielen Defektelektronen zu ermöglichen, in kürzester Zeit zum Metallkontakt zu gelangen.
Auf der Vorderseite muß man einen Kompromiss schließen, um einerseits viele Elektronen zu erreichen, andererseits aber möglichst viel Licht durchzulassen; die Elektrode ist hier ein dünnes Metallgitter oder ein feiner Metallkamm.