Solar-Lexikon

 

Strom aus Licht


Eine der größten Herausforderungen für die Menschheit ist die Entwicklung einer umweltfreundlichen Energieversorgung. Bereits heute wird der größte Teil unseres Energiebedarfs durch Sonnenenergie gedeckt: Sonnenenergie, die vor Jahrmillionen biochemisch umgewandelt wurde und nun in Form von Erdöl, Erdgas und Kohle zur Verfügung steht. Die Probleme mit der Nutzung dieser Energiequellen sind bekannt.

Ideal wäre die direkte Nutzung der Sonnenenergie. In nur zwei Tagen strahlt die Sonne mehr Energie zur Erde, als in allen Öl- und Kohlevorkommen gespeichert ist. Irgendwie müßte es doch möglich sein, dieses enorme Potential zu nutzen. Für Wissenschaftler und Ingenieure ist dies eine große Herausforderung. Und es scheint, als hätte die Suche nach einer technischen Nutzung der Sonnenenergie Erfolg. Neben vielen anderen Lösungen wurden elektronische Bauteile entwickelt, die das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Diese Elemente werden als Solarzellen bezeichnet.

Was bedeutet "Photovoltaik"?


Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Energie des Lichtes in andere Energieformen umzuwandeln. Sicher haben Sie alle schon von Sonnenkollektoren gehört. Dort wird das Sonnenlicht verwendet, um Wasser zu erwärmen. Die Lichtenergie wird in Wärme umgewandelt. Durch Verwendung von geeigneten Kollektoren kann man sogar Dampf erzeugen und damit eine Turbine mit Generator antreiben. Man kann so das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln.

Man kann Licht auch direkt, daß heißt ohne den Umweg über Wärme, in elektrische Energie umwandeln. Spezielle, geschickt kombinierte Materialien erzeugen bei Belichtung einen nutzbaren Strom. Diese Tatsache bezeichnet man als photovoltaischen Effekt. [Zur Herkunft des Worts: (1) Griechisch: phos, Genitiv photos "Licht". (2) Nach Alessandro Volta, dem aus Italien stammenden Entdecker der elektrochemischen Stromquellen.]

Die Entdeckung der Photovoltaik geht in das letzte Jahrhundert zurück, als man die Grundlagen der Photographie erforschte. Lange Zeit wurde dieser Effekt aber nicht weiter beachtet. Erst in den dreißiger Jahren wurden elektronische Elemente zur Nutzung des photovoltaischen Effektes entwickelt und patentiert. Solche Bauteile fast man unter dem Begriff Photoelemente zusammen.

Photoelemente werden nicht nur für die Stromerzeugung, sondern vor allem auch für Messzwecke hergestellt. So befindet sich in jeder modernen Photo- oder Videokamera ein Photoelement zur Messung der Beleuchtungsverhältnisse.

Photoelemente, die speziell für die Stromerzeugung optimiert sind, werden als Solarzellen bezeichnet. Die erste Solarzelle wurde 1954 hergestellt und bereits 1958 in einem amerikanischen Satelliten zur Stromversorgung eingesetzt. In der Praxis werden die einzelnen Solarzellen serie- und parallelgeschaltet, damit brauchbare Spannungen und Ströme erzeugt werden können.

Nutzung der Sonnenenergie


Die Sonnenenergie ist schier unerschöpflich. Sie kommt gratis an. An einem strahlenden Tag sind es rund 1 kW/m2; anders gesagt, 1000 Joule in jeder Sekunde auf jeden Quadratmeter. Sie können diese Zahl in Beziehung setzen zum durchschnittlichen "Verbrauch" einer Person in den Industrieländern: 4 kW für Nahrung, Wohnung, Verkehr, Produktion und Entsorgung von Gütern usw. Könnte die beispielsweise in der Sahara eintreffende Sonnenenergie mit einem Wirkungsgrad von etwa 10 % genutzt und zu uns in den energiehungrigen Norden transportiert werden, würde dort ein Quadrat von 7 m x 7 m für jede und jeden ausreichen.

Die Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität durch Solarzellen hat erhebliche Vorteile. Die Umwandlung geschieht praktisch ohne schädliche Nebeneffekte wie Umweltverschmutzung oder Lärm. Auch kommt sie im Prinzip ohne bewegliche Teile aus. Der Wartungsaufwand ist minimal, und es ist kein Arbeitsmedium wie Wasser erforderlich. Weil zudem die Zuverlässigkeit der Solarzellen sehr groß ist, eignen sie sich auch für entlegene Gebiete.

Die Pakete mit zusammengeschalteten Solarzellen werden "Modul", "Panel" oder auch "Solargenerator" genannt. Solargeneratoren können zu Anlagen jeder Größe kombiniert werden, von wenigen Watt Leistung für das tragbare Funktelephon bis zu Kraftwerken, die einige Megawatt ins Elektrizitätsnetz einspeisen. Selbstverständlich braucht es für die Nutzung auch entsprechende Steuerungseinrichtungen und Speichermöglichkeiten.

Obwohl die Kosten von Solarstrom in den letzten 20 Jahren stark gesunken sind, sind sie immer noch höher als bei konventionell erzeugter elektrischer Energie. Noch 1970 kostete die Kilowattstunde photovoltaisch erzeugter Elektrizität über 60 Euro. 1994 lagen die Kosten für große Anlagen (Leistung im Megawattbereich) bei ca. 0,6 Euro; bei kleineren Anlagen (Leistung im Kilowattbereich) kostet eine Kilowattstunde eher mehr als 1,20 Euro. Die Sonne liefert an einem strahlenden Tag 1 kW pro m2. In den Industrienationen ist der Gesamtenergieumsatz etwa 4 kW pro Person. Als photovoltaischen Effekt bezeichnet man die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Vorteile der Photovoltaik:

Was ist Licht?


Was ist Licht? Diese einfache Frage beschäftigt die Menschen seit Jahrhunderten. Man kann es mit den Händen nicht fassen, es scheint immateriell. Wie könnte man es mit einem "faßbaren" Phänomen des alltäglichen Lebens verknüpfen? Philosophen und Naturwissenschaftler von der Antike bis ins 20. Jahrhundert versuchten Modelle zu finden, mit denen sie die Erscheinungen des Lichts zu erklären hofften.

Die Vorstellung über die Natur des Lichts hat sich dabei im Laufe der Geschichte immer wieder geändert. Wir wollen deshalb in diesem Kapitel nicht nur die heutige Sicht angeben, sondern auch auf die geschichtliche Entwicklung hinweisen.

Spektralfarben

Sicher haben auch Sie schon einen prächtigen Regenbogen oder farbige Wolken gesehen. Solche Naturphänomene haben die Menschen schon seit langer Zeit fasziniert und sie veranlaßt, über die Natur des Lichts nachzudenken. Schon früh erkannte man, daß auch aus einem mit Sonnenlicht beschienenen Glasprisma ein regenbogenähnlich gefärbtes Lichtband austritt ("Spektrum" = Erscheinung). Die Farben kommen dabei immer in der gleichen Reihenfolge vor, von Rot über Gelb und Grün bis hin zum Violett.

Der berühmte englische Physiker Isaac Newton (1643-1727) führte eine Reihe von Versuchen mit Glasprismen durch. Dabei kam er zum folgenden Ergebnis: Weißes Licht ist eine Mischung aus vielen farbigen Lichtsorten. Diese Spektralfarben sind unzerlegbar. Weil die Spektralfarben verschieden stark gebrochen werden, kann man Sonnenlicht mit einem Glasprisma auffächern. Es entsteht so ein Spektrum mit den Hauptfarben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett. Rot wird am schwächsten gebrochen, Violett am stärksten. Der Regenbogen und die farbigen Wolken kommen auf die gleiche Art und Weise zustande: In Wassertropfen oder Eiskristallen werden die Spektralfarben unterschiedlich stark gebrochen.

Seit 150 Jahren wissen wir, daß auch noch andere Arten von Licht von der Sonne ausgestrahlt werden. Heutzutage ist viel von den ultravioletten (UV) Strahlen die Rede. Sie sind dafür verantwortlich, daß unsere Haut braun wird, aber im Übermaß unter Sonnenbrand leidet. Auch diese UV Strahlen sind ein Teil des Sonnenlichts. Wir können sie jedoch nicht sehen, ebensowenig wie das Infrarotlicht. Wie wir alle Lichtarten einfach charakterisieren können, werden Sie im nächsten Kapitel erfahren.

Licht: Welle oder Teilchen?

Ist Licht als Welle zu beschreiben, oder soll man es sich eher als Teilchenhagel vorstellen? Diese Frage wurde jahrhundertelang kontrovers diskutiert. Lange Zeit stellte man sich vor, Licht bestehe aus kleinen, unwägbaren Teilchen, die mit großer Geschwindigkeit geradeaus fliegen. Viele Beobachtungen konnten mit dieser Vorstellung erklärt werden. Mit der Zeit jedoch häuften sich die Experimente, die damit nicht verstanden werden konnten. Deshalb setzte sich die Vorstellung durch, daß Licht eine Welle sei.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurde jedoch deutlich, daß die Wellentheorie des Lichts nicht alles erklärt. Insbesondere weist die Wechselwirkung von Licht mit Materie darauf hin, daß sich Licht unter Umständen wie ein Teilchenhagel benimmt: Das Licht kann Elektronen in Metallen in Bewegung bringen und manchmal sogar hinausstoßen. Diese Eigenschaft erlaubt es uns, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln.

Licht: Welle oder Teilchen? Heute wissen wir, daß Wellen und Teilchen sich nicht ausschließen müssen. Licht zeigt beide Erscheinungsweisen; Licht ist beides - Welle und Teilchen. Es kommt ganz darauf an, welche Situationen wir betrachten. Um die Ausbreitung von Licht zu beschreiben, müssen wir Licht als Welle betrachten. Wenn uns hingegen die Wechselwirkung von Licht mit Materie interessiert, so ist die Beschreibung als Teilchen angebracht.

Licht ist also beides - oder auch keines von beiden. In der Quantenphysik wird klar, daß das Wesen des Lichts nur mit abstrakter Mathematik umfassend beschrieben werden kann; alle anschaulichen Modelle sind unvollkommen.

Das Licht als Welle

Historisches

Im Kapitel 2.1 haben Sie gesehen, daß sich weißes Licht aus verschiedenen Farben zusammensetzt. Das erklärt aber noch nicht, was Licht eigentlich ist. Seit Beginn des 17. Jahrhunderts wurden vermehrt Lichterscheinungen experimentell untersucht. Dabei stand auch immer die Frage nach der Natur des Lichts im Zentrum des Interesses. Die dazu entwickelten physikalischen Modelle wurden nach Möglichkeit der Mechanik entnommen, da mechanische Vorgänge besonders anschaulich sind.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts gab der Arzt und Universalgelehrte Thomas Young (1773-1829) erstmals experimentelle Hinweise dafür, daß Licht Wellennatur hat. (Übrigens hat Thomas Young, hauptberuflich Arzt, auch wesentlich zur Entzifferung der Hieroglyphen beigetragen: ein Universalgenie.)

Bei Wasserwellen und Schallwellen wissen wir, wie sie zustande kommen. Wasserwellen sind im wesentlichen Auf- und Abwärtsbewegung von Wassermolekülen. Schallwellen entstehen durch abwechselnde Verdichtungen und Verdünnungen der Luft. Wie aber kommen Lichtwellen zustande? Diese Frage hat den Physikern im 19. Jahrhundert viel Kopfzerbrechen bereitet. Alle Modelle, die Licht als mechanische Welle zu erklären versuchten, scheiterten schließlich.

Die Lösung dieser schwierigen Frage kam dann allerdings nicht aus der Mechanik, sondern aus der Elektrizitätslehre. Der Englische Physiker James Clerk Maxwell (1831-1879) sagte die Existenz von elektromagnetischen Wellen voraus. Im Jahre 1886 gelang es dem deutschen Physiker Heinrich Hertz (1857-1894) diese Wellen experimentell nachzuweisen. Elektromagnetische Wellen werden im Gegensatz zu Wasser- oder Schallwellen nicht durch schwingende Teilchen gebildet, sondern entstehen durch sich ausbreitende elektrische und magnetische Felder. Sie können sich damit auch im Vakuum ausbreiten. Im Zusammenhang mit Licht waren diese Wellen aus zwei Gründen interessant:

-Die Theorie ergab für die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Wellen einen Wert, der gut mit der gemessenen Lichtgeschwindigkeit (~ 300'000 km/sec.) übereinstimmte.

-Die Untersuchungen von Hertz zeigten, daß diese Wellen die gleichen Eigenschaften haben wie Licht: Spiegelung, Brechung ...

Daher lag die Vermutung nahe, Licht sei eine elektromagnetische Welle. Dieses Modell erwies sich in der Folge als sehr erfolgreich: Alle damals bekannten Lichterscheinungen konnten dadurch erklärt werden. Damit war erwiesen:

Licht zeigt alle Aspekte einer elektromagnetischen Welle.

Nun wissen Sie vielleicht schon, daß beispielsweise auch Radiowellen elektromagnetische Wellen sind. Worin liegt nun der Unterschied zwischen einer Radiowelle und einer Lichtwelle?

Der Unterschied liegt einzig in ihrer Frequenz bzw. Wellenlänge. Die Wellenlänge ;l ist der räumliche Abstand zwischen zwei Wellenbergen. Die Frequenz f besagt, wie oft diese Wiederholung innerhalb einer Sekunde stattfindet. Die Frequenz ist die Anzahl Wellenberge, die an einem festen Punkt in einer Sekunde vorbeigehen.

Fig. 2.1 Veranschaulichung der Begriffe "Wellenlänge" und "Fortpflanzungsgeschwindigkeit" einer nach rechts laufenden Welle.

l und f sind wie folgt verknüpft: l.f = v, wobei v die Fortpfanzungsgeschwindigkeit ;der Welle ist (siehe Fig. 2.1). Im Falle von Lichtwellen ist v die Lichtgeschwindigkeit und wird mit dem Buchstaben c bezeichnet. Damit lautet der Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Frequenz von Lichtwellen:

c = l.f

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Naturkonstante. Sie hat den hohen Wert von c = 3*10 hoch 8 m/s

= 300'000 km/sec. Im Vakuum breiten sich alle elektromagnetische Wellen, unabhängig von Frequenz und Wellenlänge, gleich schnell aus.

Elektromagnetische Wellen können auf ganz verschiedene Weisen und mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden. Die Unterteilung des elektromagnetischen Spektrums orientiert sich an verschiedenen Erscheinungsformen und ist etwas willkürlich. Für den Menschen ist der schmale Bereich mit dem sichtbaren Licht zentral. Selbstverständlich sieht der Mensch nicht zufällig in einem Wellenlängenbereich! Unsere Augen nehmen diejenigen elektromagnetischen Wellen am besten wahr, die im Sonnenlicht am häufigsten vorhanden sind. Die Sonne gibt ihre Energie vorwiegend als sichtbares Licht ab. Auch für die Photovoltaik ist deshalb der sichtbare Bereich im elektromagnetischen Spektrum am wichtigsten.

Die Wellenlängen im Sichtbaren nehmen von Violett nach Rot (400 nm < l < 750 nm) etwa auf das Doppelte zu. Das wäre in der Musik nur eine einzige Oktave. Mehr zum elektromagnetischen Spektrum finden Sie bei der Verschiedenfarbiges Licht entspricht elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen. Wellenlänge l und Frequenz f sind verknüpft durch die Gleichung c =l · f Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt c = 3*10 hoch 8 m/s. Die Wellenlängen der sichtbaren elektromagnetischen Strahlung liegen zwischen 400 nm (violett) und 750 nm (rot). In diesem Bereich strahlt die Sonne am stärksten.

Der Photoeffekt - Das Licht als Teilchen


Einleitung

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts war die Frage nach der Natur des Lichts scheinbar geklärt: Licht ist eine elektromagnetische Welle. Damit konnten alle damals bekannten Lichtphänomene beschrieben werden.

Die bis dahin gemachten Experimente untersuchten vorwiegend die Lichtausbreitung. Wie aber wirkt Licht auf Materie? Dies war noch wenig untersucht. Es bestanden allerdings kaum Zweifel darüber, daß die Wellentheorie auch die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie korrekt beschreiben würde.

Interessanterweise war es dann Heinrich Hertz, der bei seinen Untersuchungen der elektromagnetischen Wellen zufällig einen interessanten Effekt beobachtete. Dieser Effekt sollte zu einem völlig neuen Verständnis des Lichtes führen.

Der äußere Photoeffekt

Den von Hertz im Jahre 1887 beobachteten Effekt wollen wir zu Beginn dieses Abschnitts mit einem einfachen Experiment nachweisen. Es geht darum herauszufinden, was geschieht, wenn Licht auf eine (elektrisch geladene) Metallplatte trifft.

Das Entladen des Elektroskops zeigt an, daß die Zinkplatte ihren Elektronenüberschuss verliert. Durch die Bestrahlung mit Licht werden also Elektronen aus der Platte herausgelöst.

Der Effekt tritt bei Zink nur mit UV auf. Die Glasplatte zwischen der Zinkplatte und der Lampe verhindert ihn. Dies zeigt, daß der Effekt von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Fensterglas läßt nämlich ultraviolettes Licht nicht durch.

Fig. 2.2: Der äußere Photoeffekt.

Untersucht man den äußeren Photoeffekt genauer, so stellt man Folgendes fest:

Die kinetische Energie (und damit die Geschwindigkeit) der austretenden Elektronen ist unabhängig von der Beleuchtungsstärke. Einzelne Elektronen verlassen die Platte auch bei sehr schwacher Beleuchtung.

Die Energie der ausgesandten Photoelektronen ist statt dessen für ein bestimmtes Material nur von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts abhängig. Und zwar nimmt sie linear mit der Lichtfrequenz zu.

Die Anzahl der in einem Zeitintervall ?t ausgesandten Photoelektronen ist proportional zur Beleuchtungsstärke.

Diese experimentellen Tatsachen stehen in deutlichem Widerspruch zu dem, was auf Grund der Wellentheorie erwartet würde: Wenig Licht bedeutet wenig Energiezufuhr. Bei schwachem Licht dürften bloß noch ganz langsame Elektronen austreten. Unterhalb einer materialabhängigen Grenze vermöchte schwaches Licht keine Elektronen mehr herauszulösen.

Die Wellentheorie des Lichts kann den äußeren Photoeffekt nicht erklären.

Interpretation des äußeren Photoeffekts

Der äußere Photoeffekt wurde von Albert Einstein (1879-1955) in einem berühmten Artikel im März 1905 wie folgt interpretiert:

"Nach der Auffassung, daß das erregende Licht aus Energiequanten ;von der Energie h.f bestehe, läßt sich die Erzeugung von Elektronen durch Licht folgendermaßen auffassen. In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen Energiequanten (sogenannte Photonen) ein und deren Energie verwandelt sich zum Teil in kinetische Energie von Elektronen. Die einfachste Vorstellung ist die, daß ein Photon seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt. Außerdem wird anzunehmen sein, daß jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit W zu leisten hat, wenn es den Körper verläßt. Mit der größten Normalgeschwindigkeit (normal zur Oberfläche) werden die unmittelbar an der Oberfläche, normal zu dieser erregten Elektronen den Körper verlassen. Die kinetische Energie solcher Elektronen ist: h.f - W."

Mit anderen Worten: Licht gibt seine Energie nur in Form von unteilbaren Energieportionen weiter. Diese Portionen werden "Energiequanten" oder kurz auch "Photonen" genannt. Die Energie jedes einzelnen Photons beträgt h·f. Die Größe h ist eine Naturkonstante. Sie heißt Planck'sches Wirkungsquantum und hat den Wert h = 6,67.10-34 J.s.

Lichtenergie gibt es nur portionenweise.

Auch sehr helles Licht gibt an ein einzelnes Elektron nur die Energie h ·f ab. Bei der Wechselwirkung mit Materie verhält sich Licht also so, als ob es aus einem Teilchenstrom bestehen würde. Albert Einstein erhielt im Jahre 1923 den Nobelpreis für Physik für eben diese Interpretation des äußeren Photoeffekts. Damals war er schon berühmt, allerdings wegen der Relativitätstheorie.

Hat denn die Helligkeit eines Lichtstrahls nichts mit der Energie zu tun? Doch! Je heller ein Lichtstrahl ist, desto mehr Photonen enthält er. Beim äußeren Photoeffekt kann ein heller Lichtstrahl mehr Elektronen freisetzen als ein weniger starker Strahl mit gleicher Farbe (Frequenz). Die Energie aber, mit der die einzelnen Elektronen herausgeschleudert werden, bleibt gleich.

Die Photonen von blauem Licht sind energiereicher als diejenigen von rotem Licht.

Aus der Gleichung für die Energie E = h·f sehen Sie auch, daß Photonen keine "normalen" Teilchen sind. Für normale Teilchen hängt die kinetische Energie von der Geschwindigkeit und der Masse ab. Die Photonen fliegen aber immer mit c, sie besitzen keine Masse, und ihre Energie ist proportional zur Lichtfrequenz.

Übrigens: Photonen tragen auch einen bestimmten Impuls p = E/c = hf/c. Dieser Impuls führt beispielsweise dazu, daß auf Solarpanels von Satelliten eine Kraft ausgeübt wird, deren störende Wirkung kompensiert werden muß.

Der innere Photoeffekt

Bis jetzt haben wir immer von Metalloberflächen gesprochen. In Metallen sind die Elektronen nahezu frei beweglich. Deshalb leiten sie auch den elektrischen Strom sehr gut. Was aber passiert, wenn Licht auf einen Halbleiter oder einen Isolator trifft? Diese leiten den Strom schlecht, weil die Elektronen nicht beweglich, sondern fest an die Atome gebunden sind. Man kann sich die Situation eines Bindungselektrons etwa so vorstellen:

Das Elektron ist wie in einer "Falle". Die Wand der Falle ist wie eine Treppe. Die Stufen dieser Treppe sind unregelmäßig hoch. Um eine oder mehrere Stufen zu steigen, muß das Elektron eine genau bestimmte Energiemenge zugeführt bekommen, nicht mehr und nicht weniger. Diese Energiestufen heißen Energiezustände oder Energieniveaux.

Trifft nun auf ein solches Material Licht, dessen Photonenenergie den Minimalwert erreicht, so steigen die Elektronen eine oder mehrere Stufe höher auf und die Photonen werden "verschluckt". Die Photonenenergie kann natürlich auch so groß sein, daß sich die Elektronen ganz aus der Falle lösen. Sie sind dann ähnlich wie beim Metall frei beweglich und können zur elektrischen Stromleitung beitragen. Dies nennt man den inneren Photoeffekt. Er benützt Lichtenergie um bewegliche Elektronen zu erzeugen. Im Extremfall ist es möglich, beispielsweise mit Gammastrahlung, den Elektronen in einem Isolator derart viel Energie zuzuführen, daß sie ganz aus dem Material heraus fliegen, ebenso wie die Photoelektronen beim äußeren Photoeffekt mit Metallen. Dieser Ionisationsprozess interessiert uns aber hier nicht, denn er stört höchstens bei der Photovoltaik.

Die direkte Gewinnung von elektrischer Energie aus Licht erfolgt in Solarzellen. Sie bestehen aus besonderem Halbleitermaterial. Dieses wird chemisch leicht verändert, so daß zwei dünne Schichten entstehen. Die eine Schicht besteht aus einem sogenannten p-, die zweite aus einem n-Halbleiter. Beispiele für Metalle kennen Sie bereits aus dem Alltag. Eisen, Aluminium, Kupfer, Silber, Gold usw. Auch ist Ihnen bekannt, daß sie gute elektrische Leiter sind. Ebenso ist Ihnen auch der Begriff Isolator vertraut. Isolatoren leiten den elektrischen Strom praktisch nicht. Beispiele hierfür sind: Glas, Keramik, Gummi, die Mehrzahl der Kunststoffe wie Plexiglas, PVC, Teflon usw. Zwischen der Gruppe der Metalle und der Gruppe der Isolatoren gibt es noch eine weitere, die der Halbleiter. Reine Halbleiter leiten den elektrischen Strom mindestens 10'000 schlechter als Kupfer. Typische Halbleiter sind Silizium (Si) und Germanium (Ge). Sie finden diese beiden Elemente in der 4. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Die meisten Halbleiterbauteile sind heute aus Silizium. Immer mehr werden auch 1:1-Verbindungen von Elementen aus der 3. und der 5. Hauptgruppe untersucht und eingesetzt, beispielsweise GaAs (Gallium-Arsenid), InP (Indium-Phosphid). Halbleiter besitzen im Mittel vier Valenzelektronen (Elektronen in der äußersten Schale, für die chemische Bindung verantwortlich).

Die Halbleiter unterscheiden sich aber nicht nur durch ihren elektrischen Widerstand von den Metallen. Vielleicht wissen Sie bereits, daß bei den Metallen der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. Bei Halbleitern ist es gerade umgekehrt! Der elektrische Widerstand nimmt mit zunehmender Temperatur ab.

Elektronentransport in Metallen

In Metallkristallen sind alle Valenzelektronen bei Zimmertemperatur praktisch vollkommen frei beweglich, denn sie sind nur sehr lose ans Atom gebunden. Diese Elektronen bewirken die ausgezeichnete Leitfähigkeit für elektrischen Strom und für Wärme. Sie heißen deshalb Leitungselektronen. In einem Metall wie Silber stehen pro Kubikzentimeter etwa 1023 frei bewegliche Elektronen zur Verfügung: eine riesige Ladungsmenge!

Legt man zwischen den beiden Enden eines Metallstücks der Länge d eine elektrische Spannung U an, so entstehen im Innern elektrische Kräfte und ein elektrisches Feld E = U/d. Die Leitungselektronen werden zum Pluspol hingezogen. Die Größe der Kraft F ist F = e·E, wobei e = -1.6·10-19 C die Ladung des Elektrons ist. Diese Kraft beschleunigt die Leitungselektronen auf eine mittlere Geschwindigkeit v. Die Leitungselektronen werden aber durch Stöße mit den Atomrümpfen laufend gebremst, so daß v nur einen geringen Wert erreicht: Bloß rund 1/10 mm pro Sekunde. Trotzdem bewirkt eine Spannung von etwa 1 V sofort einen großen Strom I von einigen Ampere: Die riesige Menge an frei beweglichen Elektronen sorgt für einen kleinen Widerstand R. Das Ohm'sche Gesetz: I proportional zu U oder genauer I = U/R ist Ihnen vertraut. Die Materialeigenschaften werden durch den spezifischen elektrischer Widerstand r erfaßt. Die sehr große Zahl von frei beweglichen Elektronen in Metallen ist also für deren kleine spezifische Widerstandswerte r verantwortlich.

Bei steigender Temperatur vergrößert sich die "Zitterbewegung" der Atomrümpfe. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit, daß die Leitungselektronen mit Atomrümpfen kollidieren. Als Folge steigt bei Metallen der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur.

Ladungstransport in Halbleitern

Völlig anders ist die Situation bei praktisch reinen Halbleitern. Die Zahl der frei beweglichen Elektronen ist 106 bis 1010 mal kleiner als im Metall und hängt stark von der Temperatur und chemischen Verunreinigungen ab.

Im Metall werden die positiv geladenen Atomrümpfe durch den "See" der sehr zahlreichen Leitungselektronen zusammengehalten Nicht so beim Halbleiter. Dort werden die Atomrümpfe durch ein dazwischenliegendes, nicht frei bewegliches Paar von Elektronen aneinander gebunden. Man spricht von Elektronenpaarbindung oder kovalenter Bindung.

Die Atomrümpfe sind beim Halbleiter so angeordnet, daß jeder Atomrumpf vier nächste Nachbarn hat. An diese ist er durch je ein Elektronenpaar gebunden. Beim Ein-Element-Halbleiter, der also nur eine Atomsorte enthält, stammen vier dieser insgesamt acht Elektronen von dem einen Atomrumpf, die restlichen Vier stammen von den vier Nachbarn. Ein-Elementhalbleiter bestehen also aus vierwertigen Elementen. Wichtige Beispiele sind Silizium und Germanium. Beim Verbindungshalbleiter muß die durchschnittliche Wertigkeit vier betragen. So sind es wiederum die acht Valenzelektronen, welche jedes Atom zu seinen vier nächsten Nachbarn binden. Ein Beispiel für einen III-V-Verbindungshalbleiter ist Gallium-Arsenid (GaAs); ein Beispiel für eine halbleitende II-VI-Verbindung ist Cadmium-Sulfid (CdS).

Durch die Temperaturbewegung der Atomrümpfe verlassen einzelne Valenzelektronen gelegentlich ihren Platz. In diesem Zustand haben sie dann dieselbe freie Beweglichkeit wie die Leitungselektronen im Metall. Wir haben also im Halbleiter einen im Vergleich zum Metall sehr stark verdünnten "See" von Leitungselektronen. Der Seespiegel steigt mit der Temperatur rapid an. Dies erklärt sowohl den viel größeren spezifischen Widerstand als auch das entgegengesetzte Temperaturverhalten der Halbleiter im Vergleich zu den Metallen.

Im Unterschied zu den Halbleitern ist bei den Isolatoren der Energieaufwand zu groß, um bei Zimmertemperatur Valenzelektronen vorübergehend in einen beweglichen Zustand zu "stoßen". Trotz der "Zitterbewegung" der Atomrümpfe bei Zimmertemperatur bleibt der elektrische Widerstand etwa eine Million mal größer als bei reinen Halbleitern.

Nützlicher Dreck: eingebaute Fremdatome

Die elektrischen Eigenschaften der Halbleiter können durch geringfügige chemische Veränderungen stark beeinflußt werden. Da ja im reinen Halbleiter bei Zimmertemperatur nur etwa jedes milliardste Atom ein Leitungselektron bereitstellt, wird der Ersatz jedes hunderttausendsten Atoms durch ein Fremdatom, welches "mit Garantie" und dauernd ein zusätzliches, freies Elektron liefert, drastische Folgen für den Widerstand haben:

Ersetzt man im Halbleiter Silizium z. B. jedes hunderttausendste Siliziumatom durch ein fünfwertiges Arsenatom, so werden vier der fünf Valenzelektronen zur kovalenten Bindung an seine vier nächsten Nachbarn benötigt. Geht das fünfte Valenzelektron auf "Wanderschaft", so wird das Ladungsgleichgewicht in der Umgebung des Arsenatoms gestört. Das "Arsenatomgebiet" enthält gewissermaßen ein Proton zuviel und bildet eine positiv geladene Stelle im Kristall. Das fünfte Valenzelektron ist schwach an diese "positiv geladene Stelle" gebunden, kann aber zum elektrischen Strom beitragen, indem es sich löst und später irgendwann wieder ein anderes Elektron an seine Stelle tritt.

Der Einbau fünfwertiger Fremdatome liefert also dem Halbleiter zusätzliche, bewegliche Elektronen. Die eingebauten fünfwertigen Fremdatome heißen deshalb Donatoren (Spender). Die bereitgestellten Elektronen bezeichnen wir als Donatorelektronen. Derart veränderte Halbleiter nennt man n-Halbleiter, da ihre elektrische Leitfähigkeit vorwiegend von den negativ geladenen Donatorelektronen herrührt. Den Vorgang der Substitution eines geringen Bruchteils (ca.1/100'000) der Halbleiteratome durch Atome eines anderen Elements nennt man Dotieren. Dotiert man einen Halbleiter mit dreiwertigen Atomen, baut man beispielsweise Boratome ein, so fehlt ein Valenzelektron, um dieses mit seinen vier nächsten Nachbarn kovalent zu binden. Es besteht eine Bindungslücke, kurz: ein Loch.

Wird dieses Loch von einem "Nachbarelektron" aufgefüllt, so hinterläßt dieses "Nachbarelektron" an seinem Ursprungsort ein neues Loch. Auch Löcher sind beweglich! Durch eine derartige Abwanderung eines Lochs wird das Ladungsgleichgewicht in der Umgebung des Boratoms gestört. Das "Boratomgebiet" enthält ein Elektron zuviel und bildet eine "negativ geladene Stelle" im Kristall. Das Loch bleibt ähnlich wie das "überflüssige" Valenzelektron beim Arsenatom schwach an diese negativ geladene Stelle gebunden, kann sich aber auch relativ leicht von dieser Stelle entfernen, um dann später irgendwann von einem anderen Loch wieder ersetzt zu werden. Löcherwanderung in eine Richtung bedeutet aber nichts anderes als Elektronenwanderung in entgegengesetzter Richtung. Da mit der Bewegung eines Lochs die Bewegung eines per Saldo einfach positiv geladenen "Atomgebiets" verbunden ist, entspricht der Wanderung eines Lochs die Wanderung einer positiven Ladung. Man spricht von Löcherleitung.

Veranschaulichung: Die Löcherwanderung ist analog zur "Wanderung" eines freien Platzes in einer Sitzreihe im Kino: Das Aufrücken der Kinobesucher (Elektronen) beispielsweise nach links führt dazu, daß der freie Platz (Loch) nach rechts wandert. Allerdings gibt es im Halbleiter gleichzeitig Löcher und freie Elektronen nebeneinander.

Der Einbau dreiwertiger Fremdatome erzeugt also im Halbleiter die oben beschriebenen Löcher. Da sie zumindest vorübergehend ein Elektron "importieren" und "beherbergen", nennt man die eingebauten dreiwertigen Fremdatome Akzeptoren (Empfänger). Die Beweglichkeit der Löcher bedeutet mikroskopisch eine neue Möglichkeit zur Fortbewegung von Elektronen ("Hüpfen von Loch zu Loch"). Da mit der Wanderung eines Lochs die Wanderung eines positiv geladenen Gebiets verbunden ist, nennt man Halbleiter mit (beweglichen) Löchern p-Halbleiter.

Übrigens: Das Dotieren geschieht, indem man geeignetes Gas, etwa BH3, über die stark aufgeheizten Si-Kristalle strömen läßt. Dann dringen die Boratome durch Diffusion ein und erzeugen einen p-Halbleiter.

Der p-n-Übergang

Was geschieht, wenn man die eine Hälfte eines Siliziumkristalls durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen zum p-Halbleiter, die andere Hälfte durch Einbau von fünfwertigen Fremdatomen zum n-Halbleiter macht? Was geschieht an der Grenzfläche zwischen beiden Gebieten? Sie einen Infolge der Wärmebewegung dringen Elektronen aus dem n-Teil in den p-Teil des Halbleiters ein. Sie kennen diesen Prozeß (Diffusion) vom Verteilen der Parfum-Moleküle. Im p-Teil werden die Elektronen von den positiv geladenen Löchern angezogen. Ein Elektron füllt ein Loch - und beide sind als bewegliche Ladungen nicht mehr vorhanden! Man nennt diesen Vorgang Rekombination. Jede Rekombination verringert die Anzahl der freien Ladungsträger um ein Elektron und ein Loch.

Ebenso diffundieren auch Löcher in den n-Teil und rekombinieren mit den Elektronen. Nahe der Grenzfläche verschwinden also im p-Teil die Löcher und im n-Teil die Donator-Elektronen. Beidseits der Grenzfläche sind keine beweglichen Ladungsträger mehr vorhanden. Es entsteht eine dünne Schicht praktisch ohne bewegliche Ladungsträger. Man nennt sie die Verarmungszone. Sie ist etwa 1mm = 1/1000 mm breit.

Das Eindringen von Elektronen in den p-Teil, bzw. von Löchern in den n-Teil, hat noch etwas anderes zur Folge: In der Verarmungszone ist die Ladungsbilanz nicht mehr ausgeglichen. Die abgewanderten Elektronen hinterlassen im ursprünglich elektrisch neutralen n-Teil eine dünne Schicht mit einem Überschuß an positiver Ladung. Im p-Teil entsteht entsprechend ein negativer Ladungsüberschuß.

Die beiden entgegengesetzt geladenen Schichten erzeugen ähnlich wie beim Plattenkondensator eine elektrische Kraft und ein von der n- zur p-Seite gerichtetes elektrisches Feld E.

Das oben erwähnte, ortsfeste, sogenannte Raumladungsfeld hält weitere Elektronen und Löcher davor ab, auch noch zur anderen Seite zu diffundieren und zu rekombinieren. Der Rekombinationsprozess wird derart vom sich aufbauenden elektrischen Feld gestoppt. Dadurch wird verhindert, daß sich die Verarmungszone über den ganzen Kristall ausbreitet, sondern nur die schon erwähnte Dicke von etwa 1/1000 mm erreicht. Die Dicke der Verarmungszone hängt allerdings stark von der Dotierung und ein wenig von der Temperatur ab.

Die Halbleiter-Diode

Wird ein Halbleiterkristall hälftig n- und p-dotiert, mit Anschlussdrähten versehen und in ein Gehäuse eingepackt, erhält man eine technische Halbleiterdiode oder auch Kristalldiode.

Was geschieht, wenn man zwischen der n- und der p-Seite einer Halbleiterdiode eine elektrische Spannung anlegt? - Eine so komplexe Struktur wird sich wohl kaum wie ein Ohm'scher Widerstand verhalten. Sie werden bestimmt vermuten, dass die innere Asymmetrie des pn-Übergangs sich auch elektrotechnisch auswirken wird. Wir müssen die beiden Anschlussmöglichkeiten für eine äußere Spannung gesondert betrachten:

I) Äußere Spannung in Sperrichtung

Überlegen wir uns, was nach unserer Modellvorstellung am p-n-Übergang geschehen sollte. Verbinden wir die n-Seite mit dem Pluspol und die p-Seite mit dem Minuspol einer Spannungsquelle. Alle Elektronen erfahren eine Kraft in Richtung zum Pluspol, alle Löcher eine Kraft zum Minuspol. Im ersten Moment werden die beweglichen Ladungsträger diesen Kräften nachgeben:

Auf der p-Seite drängen die außerhalb der Verarmungszone noch beweglichen Elektronen in Richtung Grenzschicht. Sie werden noch mehr Löcher nahe der Grenzschicht füllen und diese zum Verschwinden bringen. So wird auf der p-Seite die Verarmungszone verbreitert und die ortsfeste Raumladung vergröbert. Deshalb können anschließend keine Elektronen mehr die Verarmungszone durchqueren.

Gegengleich wird die Verarmungszone auch auf der n-Seite verbreitert. Sie wirkt nun wie eine isolierende Schicht. Man sagt, die Halbleiterdiode ist in Sperrichtung gepolt. Es fließt kein Strom, abgesehen vom Leckstrom, der durch die unvermeidlichen Unvollkommenheiten der Diode verursacht wird. Durch die Verbreiterung der Verarmungszone haben sich auch die Raumladungen und somit das E-Feld verstärkt.

II) Äußere Spannung in Durchlassrichtung

Was geschieht bei umgekehrter Polung ? Die Löcher drängen im p-Teil vom Pulspol weg in die Verarmungszone hinein. Auf der p-Seite wird so die Verarmungszone verkleinert. Ebenso drängen auf der n-Seite Elektronen vom Minuspol in Richtung Verarmungszone. Diese wird auf beiden Seiten schmaler und verschwindet bei genügender Spannung sogar ganz. Die Donatorelektronen der n-Zone überqueren die Grenzfläche und rekombinieren laufend mit Löchern aus der p-Zone. Dabei wird selbstverständlich die Energie frei, welche für die Erzeugung eines Elektron-Loch-Paars aufgewendet worden ist. Die Energie wird von der äußeren Spannungsquelle geliefert. Je nach Halbleiter macht sich die Energie als Wärme oder als Licht bemerkbar (Leuchtdioden). Dies ist der Umkehrprozess zum inneren Photoeffekt.

Man sagt, die Halbleiterdiode sei in Durchlassrichtung gepolt. Die Entleerungszone ist aufgefüllt worden. Es fließt ein beträchtlicher Strom, der laufend zu Rekombination an der Grenzfläche führt. Dort wird Energie frei.

Für die Elektrotechnik ist Wirkung der Halbleiterdiode also analog zu jener eines Rückschlagventils (z.B. beim Velo). In der einen Richtung läßt sie den Strom durch, in der andern nicht.

Von der Solarzelle zur Solaranlage


Doch für die praktische Verwendung braucht es neben dem Prinzip der Photovoltaik noch eine Reihe technologischer Ergänzungen: Damit Ströme und Spannungen nützliche Größenordnungen erreichen, müssen die Solarzellen gruppenweise zu Solargeneratoren zusammengeschaltet werden. Das wiederum bringt neue Probleme, denn das Ganze soll auch laufen, wenn Einzelteile beschädigt sind. Zudem wirken neben dem Licht auch Wind und Wetter auf die Zellen.

Die Sonne scheint nicht dauernd. Also muß auch das Speicherproblem gelöst werden. Für kleinere, unabhängige Anlagen bieten Akkumulatoren einen sinnvollen Weg. Größere Anlagen hingegen müssen mit dem öffentlichen Elektrizitätsnetz verbunden werden. Das stellt erhebliche Ansprüche an Steuerung und Regelung.

Auf die Raffinessen bei der Herstellung von Solarzellen, auf Trends zur Steigerung ihres mäßigen Wirkungsgrads und auf alternative Möglichkeiten zur Nutzung von Sonnenenergie treten wir hier nicht ein.

Aufbau von Solarzellen

Die untenstehende Figur zeigt Ihnen den Aufbau einer Solarzelle. Das Ganze ist gar nicht kompliziert. Im Prinzip handelt es sich um eine Halbleiter-Diode mit großer Oberfläche und einem dünnen, lichtdurchlässigen n-Halbleiter. Dazu kommen spezielle Anschlüsse und eine Anti-Reflexschicht.

Fig. 4.1: Aufbau einer typischen monokristallinen Solarzelle

(Aus einem Silizium-Einkristall herausgeschnitten.)


Oft sind Solarzellen rund. Sie haben dann einen Durchmesser von ca. 6 - 10 cm. Das kommt vom Herstellungsprozess her. Das Silizium stammt aus dem in Fülle vorhandenen Quarzsand (SiO2). Nach der Reduktion wird es auf verschiedene Arten bestmöglichst gereinigt. Halbleiter-Silizium ist der Stoff, der am reinsten hergestellt wird! Anschließen zieht man aus dem geschmolzenen Silizium zylinderförmige Einkristalle von etwa 10 cm Durchmesser und 50 cm Länge. Diese schneidet man mit Spezialsägen in dünne Scheiben. Aus Kostengründen ist die ganze Solarzelle bloß etwa 0.2 - 0.5 mm dick.

Das Bor für die p-Dotierung kann bereits beim Herstellen der Einkristalle hinzugefügt werden. Wenn man die Scheiben erhitzt und einer Phosphor-haltigen Gasatmosphäre aussetzt, entsteht der dünne n-Halbleiter an der Oberfläche. Er muß so dünn gemacht, damit möglichst viel Licht durch ihn hindurch bis zur Verarmungsschicht vordringen kann. "Dünn" heißt hier ca. 0.2 µm, ein Bruchteil eines tausendstel Millimeters. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist ca. 50 -100 µm dick. Der n-Halbleiter ist also etwa 500 mal dünner als ein Haar.

Die in der Solarzelle freigesetzten Ladungen müssen wir natürlich über Kontakte wegleiten. Auf der Vorderseite befindet sich der Front-Kontakt. Damit viel Licht in den Halbleiter gelangt, soll dieser Kontakt möglichst wenig Oberfläche abdecken. Er besteht deshalb aus schmalen Streifen aus Silber, die im Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Die Rückseite dagegen ist vollständig mit dem Rück-Kontakt aus Silber bedeckt, damit der elektrische Widerstand möglichst gering wird.

Der glattpolierte Halbleiter spiegelt ähnlich wie ein Metall. Gespiegeltes Licht ist jedoch verlorene Energie. Deshalb wird auf der Frontseite noch eine dünne Schicht aus SiO2, Ta2O3 usw. aufgedampft, welche die Reflexion vermindert. Sie ist bloß etwa 0.2 µm dick, halb so viel wie die Lichtwellenlänge. Die Oberflächenbehandlung ist verantwortlich für die bekannte blaue Farbe von guten Zellen. Diese können nämlich auch den Blauanteil im Sonnenlicht ausnützen.

Eine einzelne Silizium-Solarzelle der Größe 10 cm x 10 cm liefert nur etwa 0.5 V Spannung und bei mittlerer Beleuchtung einen Strom von 1 A. Meist braucht man jedoch eine größere Leistung mit einer höheren Spannung und mehr Strom. Dann schaltet man mehrere Solarzellen serie oder parallel oder beides zugleich zusammen.

Funktionsweise von Solarzellen

Innerer Photoeffekt: Lichtenergie wird zugeführt. Das Photon setzt ein Elektron-Loch-Paar im Halbleiter frei.

Leuchtdiode: Elektrische Energie wird zugeführt, sie erzeugt ein Elektron-Loch-Paar. Dieses rekombiniert im Halbleiter und setzt ein Photon frei.

Es handelt sich offensichtlich um ein und denselben Prozeß, der vorwärts oder rückwärts durchlaufen wird! Effektiv kann man einer Leuchtdiode Licht zuführen und elektrische Energie in winzigen Mengen herausholen. Man spricht dann von einer Photodiode. Für die Photovoltaik muß ""bloß" noch die Oberfläche vergrößert werden. In der Figur 4.2 ist der bekannt p-n-Übergang mit dem darin ablaufenden inneren Photeffekt nochmals schematisch dargestellt:

Figur 4.2: Schematisierter p-n-Übergang mit innerem Photoeffekt


Das Licht erzeugt in der Verarmungszone des p-n-Übergangs ein Elektron-Loch-Paar. Die beiden beweglichen Ladungen werden vom inneren Feld getrennt: Ein Elektronen-Überschuss entsteht so im n-Halbleiter; er wird zum Minus-Pol. Ein Löcher-Überschuss, also ein Elektronen-mangel, entsteht im p-Halbleiter; dieser wird zum Plus-Pol der neuen Stromquelle.

Der innere Photoeffekt kann bekanntlich nur durch Photonen ausgelöst werden, die genügend Energie hf besitzen. Das bedeutet, daß das Licht eine genügend hohe Frequenz, respektive eine genügend kurze Wellenlänge haben muß. Für Silizium ist die Energie etwa E = 10-19 J. Die maximale Wellenlänge beträgt demnach rund 1 µm. Silizium kann also schon IR-Licht ausnutzen. Die Sonne strahlt jedoch am meisten grünes Licht aus. Beim inneren Photoeffekt wird nicht die ganze Energie des Photons benötigt; aus dem Rest entsteht Wärme. Dies ist ein unumgänglicher Verlust.

Sie müssen sich auch vorstellen, daß nicht jedes genügend energiereiche Photon ein Elektron-Loch-Paar erzeugt. Für den inneren Photoeffekt gibt es bloß eine gewisse Wahrscheinlichkeit, die vom Material und der Energie des Photons abhängt. Zudem besteht eine reelle Chance, daß getrennte Ladungsträger wieder rekombinieren, bevor sie vom Feld vollständig getrennt worden sind. Dieser Prozeß nimmt mit der Temperatur rasch zu. Im gleichen Masse nimmt der Wirkungsgrad der Zelle ab. Aus diesen und anderen Gründen hat der Wirkungsgrad einer Solarzelle also eine physikalische Grenze. Sie ist allerdings in den letzten Jahren durch die Theoretiker nach oben geschraubt worden und soll jetzt für Silizium bei 30 % liegen. Im Labor wurden 20 % erreicht; aber die auf dem Markt erhältlichen Solarzellen kommen nur wenig über die 10 % .

Zur Vorbereitung auf das Experiment weisen wir Sie noch auf die Symbole hin, die in der Elektrotechnik für die neuen Stromquellen üblich sind. Das Solarzellensymbol erinnert allerdings stärker an eine Batterie als an eine Halbleiterdiode.

Figur 4.3: Schaltsymbole für Photodiode und Solarzelle


Bestrahlt man eine (Leucht-)Diode, wird sie zur Strom- oder Spannungsquelle.

Die Photonen erzeugen in der Verarmungszone Elektron-Loch-Paare, die vom inneren Feld getrennt werden: Elektronenüberschuss im n-Halbleiter = Minus-Pol; Elektronenmangel im p-Halbleiter = Plus-Pol.

Dioden, in denen der innere Photoeffekt ausgenützt wird, heißen Photodioden.

Eine Solarzelle - manchmal auch als Photozelle oder Photoelement bezeichnet - ist nichts anderes als eine für die Photovoltaik optimierte, großflächige Photodiode.

Solargeneratoren

Wie schon erwähnt, müssen viele Solarzellen zusammengeschaltet werden, bis eine elektrische Leistung resultiert, die mehr kann, als bloß einen Taschenrechner anzutreiben. (Das heißt nicht, Solarrechner seien unsinnig: Die Entsorgung der Batterien und Akkumulatoren gewöhnlicher Rechner ist leider noch ein düsteres Kapitel!) Betrachten wir einen modernen, käuflichen Solargenerator oder ein Solar-Panel, wie manche lieber sagen:

Daten für einen Solargenerator

36 monokristalline, weitgehend quadratische Silizium-Solarzellen sind in 3 Reihen à 12 Zellen witterungsbeständig zwischen zwei Plexiglasscheiben eingegossen.

Sie sind alle in Serie geschaltet, so daß die Betriebsspannung bis 20 V beträgt.

Bei maximalem Sonnenlicht vermögen sie über 3 A Strom abzugeben.

Wenn die Temperatur nicht zu hoch ist, leistet der Solargenerator 55 W.

Der Wirkungsgrad erreicht nun Werte von gegen 15 %.

Der Preis für einen einzelnen Generator beträgt rund 450 Euro.

Der Generator mißt etwa 130 cm x 35 cm, ist 4 mm dick und bedingt windbeständig.

Hot-Spots und andere Probleme

Nichts Reales ist vollkommen, auch Solarzellen nicht! Es kann sein, daß sich unter 36 Solarzellen eine minderwertige oder sogar defekte befindet. Das ist trotz Qualitätskontrolle nicht auszuschließen, denn bis heute stellt die Photodegradation ein Problem dar: Zellen, die einwandfrei scheinen, verlieren unter dem Einfluß der ersten Belichtung bis zu 10 % der Soll-Leistung, vermutlich weil sich Atome in der Verarmungszone verschieben.

Viel wahrscheinlicher ist aber, daß perfekte Zellen durch Blätter, Vogeldreck oder andere Imponderabilien abgedunkelt werden. Daß solche Zellen keine Elektrizität erzeugen, ginge noch. Sie werden aber vom Strom der übrigen Zellen durchflossen, bilden einen hochohmigen Verbraucher und erhitzen sich merklich: sie bilden einen Hot-Spot. In der folgenden Figur ist dargestellt, wie dieses Problem durch Parallelschalten einer gewöhnlichen Diode behoben werden kann.

Parallel-Diode (Bypassdiode) gegen Hot-Spots.

Während der Strom der Solarzellen "usw." durch die Bypassdiode fließen könnte, wenn die perfekte Zelle beschattet wäre, sperrt die Diode im Normalfall. - Ein analoges Problem entsteht beim Parallelschalten mehrerer Zellen, die nicht genau gleich hohe Spannungen liefern: Dort muß eine Seriediode unerwünschte Ströme sperren. Ein weiteres Problem bei Solaranlagen bildet der Blitzschutz der Generatoren, die im Freien aufgestellt werden.

Alphütte: Solaranlage im Inselbetrieb

Unter gewissen Umständen ist die Photovoltaik heute nicht nur technisch, sondern auch finanziell interessant: wenn elektrische Verbraucher unabhängig oder weitab vom öffentlichen Elektrizitätsnetz betrieben werden sollen.

Historisch von Bedeutung ist die Versorgung von Nachrichtensatelliten ab 1960. Im Weltall draußen spielten die Kosten keine Rolle. Und Alternativen mit chemischer oder mit Kernenergie hatten ebenfalls Nachteile. So hat die Raumfahrt wesentlich zur Verbesserung von Wirkungsgrad und Langzeitstabilität der Solarzellen beigetragen.

Mobile Verbraucher wie Taschenrechner, Wohnwagen und -boote bieten eine im Verhältnis zum Verbrauch ausreichende Oberfläche für die Montage der Solarzellen. Bei ihnen sind immer häufiger photovoltaische Anlagen anzutreffen. Die heutigen Generationen von Funktelephonen und Elektroautos verlangen jedoch immer noch viel zu große Leistungen.

Mancherorts ist die Stromversorgung immer noch weitmaschig. Telephonstationen in Berghütten, Notrufsäulen an Autobahnen, kleinere Radio- und TV-Sender: sie alle werden heute bereits kostengünstig mit Solarelektrizität versorgt.

Als übersichtliches und realistisches Beispiel betrachten wir die Elektrizitätsversorgung einer entlegenen Alphütte. Hauptverbraucher sind die Melkmaschine, der Kühlschrank und die Beleuchtung. Der Radio fällt nicht ins Gewicht; elektrisch Kochen und Heizen kommt nicht in Frage. Die Beleuchtung mit Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen benötigt etwa 100 W während 6 Stunden; der große Kühlschrank braucht 200 W während 4 Stunden; die Melkmaschine benötigt 4 Stunden lang 500 W. Eine Photovoltaikanlage paßt natürlich besser in die Alpenwelt als ein Benzinmotor-getriebener Generator, wie er vielerorts in Gebrauch ist.

Es ist offensichtlich, daß auch bei schlechtem Wetter genügend Elektrizität zu Verfügung stehen muss. Das Speicherproblem ist also zentral. Sie wissen vermutlich, daß es in solchen Fällen mit einer Kombination von "Bleibatterien" bewältigt wird. Die Blei-Bleioxyd-Schwefelsäure-Akkumulatoren werden seit über 100 Jahren eingesetzt. Sie sind Ihnen als "Autobatterie" vertraut. In letzter Zeit sind spezielle "Solarbatterien" entwickelt worden, die sich durch eine geringe Selbstentladung auszeichnen. Das bedeutet, daß sie sich praktisch nicht entladen, wenn sie keine Energie abgeben müssen.

Obwohl die Alphütte kein Großverbraucher ist, erreichen der Solargenerator und die Batterieanlage beträchtliche Dimensionen. Weil nun Einstrahlung, Verbrauch und Ladezustand der Batterien unabhängig voneinander schwanken werden, ist zudem eine anspruchsvolle Regelung mit einem Ladegerät nötig. Dieses besorgt folgende Funktionen:

  • Anpassung der Ausgangsspannung des Solargenerators an den Ladezustand der Batterien.
  • Schutz der Batterien vor Überladung (Elektrolyse!) und vor Tiefentladung.
  • Schutz der Batterien vor zu großen Lade- und Entladeströmen (Lebensdauer)


Inselanlagen bestehen aus Solargenerator, Blei-Batterie-Kombination und Laderegler. Wo sonst lange Leitungen nötig wären, sind sie teilweise heute schon kostengünstiger.

Schulhausdach: Solaranlage im Netzverbund

Wer wünschte sich nicht ein Solarkraftwerk auf dem Hausdach? - Doch wir sitzen nicht in den kalifornischen Wüstengebieten und müssen uns mit bescheidenen Anlagen zufrieden geben: Im Zusammenhang mit der Aktion "Energie 2000" unterstützt der Bund den Bau von Photovoltaikanlagen auf Schulhäusern. Mit einer elektrischen Spitzenleistung bis zu 20 kW sind sie im Vergleich zu den Inselanlagen schon recht groß. Aber im Vergleich zu den Klein-Wasserkraftwerken, die jetzt an Bächen und Trinkwasserversorgungen in Betrieb gehen und Leistungen zwischen 100 kW und 1 MW aufweisen, sind sie klein. Mit den 1000 MW eines Kernkraftwerk können sie schon gar nicht verglichen werden.

Größere Solaranlagen führen zu größeren Speicherproblemen. Einer Produktionsspitze am Mittag in den Sommermonaten steht eine Verbrauchsspitze in den winterlichen Abendstunden gegenüber. Batterien reichen nicht aus. Die Betreiber des öffentlichen Elektrizitätsnetzes sind in ganz Europa untereinander verbunden und können deshalb tägliche und saisonale Schwankungen in Produktion und Verbrauch auffangen. Deshalb ist es zweckmäßig, die solare Gleichstromquelle mit dem riesigen Wechselstrom-Speichernetz zu verbinden. Die Verbindung erfolgt über sogenannte Wechselrichter. Das sind elektronische Geräte, die die Energie als Wechselstrom von 50 Hertz genau im Takt ins Netz abgeben. Sie müssen zudem die Energie messen und die Solaranlage abtrennen können, etwa bei Blitzschlag oder Reparaturarbeiten an den Leitungen.

Übrigens: Windenergie, letztlich auch Sonnenenergie, ist eine gute Ergänzung zu Photovoltaik. Bei schönem Hochdruckwetter herrscht Windstille. Bei stürmischem Westwindwetter und bedecktem Himmel hingegen laufen die Windgeneratoren auf Volltouren.

Solarzellen-Technologie


Hauptziel der Solarzellenentwicklung sind Solarzellen mit einem noch besseren Preis-Leistungsverhältnis. Andere Ziele sind Langzeitstabilität und Umweltverträglichkeit. Deshalb wird auf der ganzen Welt intensiv nach neuen, billigeren Herstellungsverfahren und effizienteren Solarzellentypen geforscht. Dominierend sind allerdings immer noch Solarzellen aus dem Halbleitermaterial Silizium. Neben dem Silizium experimentiert man aber auch mit andere Stoffen. Man hofft, Materialien zu finden, die einfacher und deshalb billiger herzustellen sind. Zudem möchte man einen höheren Wirkungsgrad erreichen. Doch die Giftigkeit mancher Stoffe ist ein Hemmnis. So wird es wohl nie möglich sein, mit einem Material alle Ziele gleichzeitig zu erreichen. - Vielleicht erfolgt der Durchbruch aber auf einer ganz anderen Ebene ...

Solarzellen aus Silizium

Das wichtigste Material zur Solarzellenherstellung ist zur Zeit das Silizium. Es gibt drei Sorten von Silizium-Solarzellen: monokristalline, polykristalline und amorphe.

Mono(ein)kristalline Solarzellen bestehen aus einem einzigen Siliziumkristall. Deshalb ist der Wirkungsgrad relativ hoch. Er beträgt ca. 15 - 20 %. Monokristallines Silizium wird seit Jahrzehnten für die Halbleitertechnik hergestellt. Man kann daher eine bestehende technologische Infrastruktur nutzen. Die weitaus meisten Solarzellen, die weltweit produziert werden, bestehen aus monkristallinem Silizium. Leider benötigt man zur Herstellung von monokristallinen Siliziumsolarzellen sehr viel Energie: Es dauert einige Jahre bis die zur Herstellung benötigte Energie "amortisiert" ist.

Einfacher und billiger herzustellen sind poly(viel)kristalline Siliziumsolarzellen. Eine solche Zelle besteht aus sehr vielen kleinen Siliziumkristallen. Ihr Wirkungsgrad liegt bei ca. 8 - 13 %, ist also deutlich niedriger als der monokristalliner Zellen. Andererseits benötigt man zur Herstellung polykristalliner Solarzellen viel weniger Energie. Mengenmäßig liegen die polykristallinen Zellen derzeit an zweiter Stelle.


Seit 1975 gibt es auch amorphe Siliziumsolarzellen, bei denen die Siliziumatome nicht in kristalliner Form geordnet sind, sondern willkürlich aneinanderliegen, ähnlich wie in Glas. So können extrem dünne Solarzellen fabriziert werden, die sehr wenig Material und Energie zur Herstellung benötigen. Der Wirkungsgrad amorpher Siliziumsolarzellen ist ungefähr halb so groß wie der monokristalliner Zellen. Dafür ist die Herstellung der amorphen Zellen viel billiger. Amorphe Siliziumsolarzellen werden in Taschenrechnern und Uhren verwendet.

Herstellung von monokristallinen Siliziumsolarzellen

Die Technik zur Verarbeitung von Silizium wurde im Bereich der Elektronik entwickelt und perfektioniert. Ein großer Teil der weltweit hergestellten Dioden, Transistoren und Computer-Schaltungen (sogenannte Chips) bestehen aus Silizium. Silizium ist eines der am häufigsten auf der Erde vorkommenden Elemente. Sein Anteil in der Erdkruste beträgt knapp 26 Prozent. Es kommt jedoch nur in Form von Verbindungen mit anderen Elementen vor. Zur Herstellung von Solarzellen wird aber hochreines Silizium benötigt. Dieses gewinnt man durch ein technologisch sehr aufwendiges Verfahren.

Als Ausgangsmaterial verwendet man Quarzsand (SiO2). Durch chemische Reduktion mit Kohle wird daraus das Rohsilizium gewonnen. Dieses wird dann auf chemischem Wege gereinigt. Das Silizium wird dabei sehr rein: Auf eine Milliarde Siliziumatome kommt nur noch ein fremdes Atom. Aus der Schmelze dieses hochreinen Siliziums wird unter ständiger Rotation ein monokristalliner Stab gezogen. Teilweise werden die zylinderförmigen Stäbe (typisch: 10 cm Durchmesser und 100 cm Länge) im Zonenschmelzverfahren weiter gereinigt: Durch eine ringförmige Heizung, die sich langsam von unten nach oben bewegt, wird ein Stück des Stabes oben aufgeschmolzen und unten rekristallisiert. Die noch vorhandenen Verunreinigungen bleiben vorwiegend in der Schmelze; der Kristall wird reiner.

Da man für Solarzellen einen p-n-Übergang braucht, muß man das Silizium dotieren. Dazu wird oft bereits der Siliziumschmelze eine kleine Menge des Elementes Bor beigefügt. Mit dem dreiwertigen Bor erhält man p-dotiertes Silizium. Die durchgehend p-dotierten Stäbe werden mit Spezialsägen in ca. 0.5 mm dicke Scheiben zerschnitten, damit es möglichst wenig Abfall gibt. Siehe Figur A.1.2. Der Fachausdruck für diese Scheiben ist "wafer. ".

Figur A.1.2: Zerschneiden der Siliziumstäbe in dünne Scheiben (sogenannte "wafer")

Man hat nun also wafer bestehend aus p-dotiertem monokristallinem Silizium. Für die Herstellung des p-n-Übergangs muß noch ein Teil eines jeden wafers mit einem fünfwertigen Element dotiert werden. Normalerweise wird Phosphor verwendet. In Figur A.1.3 ist der Prozess skizziert, mit Hilfe dessen die Phosphor-Dotierung durchgeführt wird.

Figur A.1.3: Dotierung der Siliziumwafer mit Phosphor

Bei diesem Prozeß durchströmt ein mit Sauerstoff angereichertes Trägergas (z.B. Argon) flüssiges Phosphoroxidchlorid (POCl3). Dabei gelangen Phosphoratome in das Gas und werden mit diesem bis zu den wafern transportiert. An den Waferoberflächen reagiert der Sauerstoff mit dem Silizium. Dadurch werden die wafer von einer Siliziumoxidschicht überzogen. Ein geringer Teil der im Gas enthaltenen Phosphoratome lagert sich in dieser Siliziumschicht ab. Die wafer haben eine sehr hohe Temperatur (800 oC - 900 oC). Deshalb sind die Phosphoratome beweglich und können aus der Oxidschicht in die Siliziumwafer hineindiffundieren.

Nach wenigen Minuten sind in einer dünnen Grenzschicht an der Waferoberfläche (typisch ist 0.5 mm) wesentlich mehr fünfwertige Phosphor- als dreiwertige Boratome vorhanden. Diese Grenzschicht ist daher zum n-Typ Halbleiter geworden. (Siehe Fig. A.1.4 (a)). Damit ist der Phosphor-Dotierungsprozess abgeschlossen. Anschliessend werden die Seiten und der hintere Teil der wafer weggeätzt (Fig. A.1.4 (b)). Durch das Aufdampfen oder Aufdrucken der elektrischen Kontakte entsteht schließlich eine monokristalline Siliziumsolarzelle.

(a)            (b)

Figur A.1.4: p-n Übergang nach dem Eindiffundieren von Phosphor und dem Abätzen


Herstellung von polykristallinen Siliziumsolarzellen

Die Herstellung von polykristallinem Silizium ist weit weniger aufwendig als die von monokristallinem. Polykristallines Silizum erhält man bereits, wenn man geschmolzenes Silizium in einen Behälter gießt und danach abkühlen läßt. Dieses Verfahren benötigt allerdings immer noch relativ viel Energie. Außerdem müssen die Blöcke auch zu wafern zersägt werden. Dabei geht über die Hälfte des Materials verloren.

Eine Verbesserung bringt das sogenannte S-Web Verfahren (Siehe Figur A.1.5). Ein Graphitnetz wird dabei unter einem flachen Winkel über die Oberfläche einer Siliziumschmelze geführt. Die Maschen saugen flüssiges Silizium auf, das polykristallin erstarrt. Durch dieses Verfahren kann der Energieaufwand zur Herstellung polykristalliner Solarzellen um einen Faktor zehn reduziert werden. Allerdings ist der Wirkungsgrad solcher Zellen nur etwa 10 %, denn die Flächen zwischen den Kristallen wirken wie zusätzliche Verunreinigungen.

Fig. A.1.5: Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silizium ("S-Web Verfahren")

Herstellung von Solarzellen aus amorphem Silizium

"Amorph" bedeutet eigentlich "formlos", "gestaltlos"; doch in diesem Zusammenhang meint man Silizium, das nicht die übliche Diamant-Kristallstruktur aufweist. "a-Si", wie es im Jargon heißt, ist glasartig. Es bietet die Möglichkeit, bereits in sehr dünnen Filmen p-n-Übergänge zu realisieren. Eine Solarzelle aus a-Si benötigt demnach wenig Material und ist tendenziell billig. Wie immer, gibt es nicht nur Vorteile: Der Wirkungsgrad von Dünnschichtzellen liegt in der Praxis näher bei 5 % als bei 10 %. Dazu kommen die Probleme mit der Langzeitstabilität. Eine dünne Schicht hat logischerweise eine größere Oberfläche. Und dort geschehen allerlei Reaktionen, deren Auswirkungen erst nach einer längeren Betriebsdauer sichtbar werden.

Überraschend ist, daß diese Dünnschicht-Solarzellen nur funktionieren, wenn noch eine beträchtliche Menge Wasserstoff im Si-Glas eingebaut ist

Noch im Laborstatus befinden sich folgende Zellentypen:
4. CIS, CdTe, GaAs, CulnSe2 - Solarzelle


Herstellung:
Aufdampfung von Verbindungshalbleitern auf ein Glassubstrat.
Kennzeichen:
Aufdampfung kann großflächig und in beliebiger Form geschehen, desweiteren können Metallkontakte mit aufgedampft werden, so daß die Zellen schon bei der Aufbringung verschaltet werden können.
Wirkungsgrad: Labor : 10 - 37 %
Produktion : noch keine Angaben

5. Die Twin-Solarzelle:

Von Diplomchemiker Dr. Helmut Hoegl entwickelt, im Sommer 1993 als Prototyp erschienen.
Kennzeichen:
Die Grundeinheit besteht aus einem rundem mit einem Halbleiter beschichteten Draht oder Stab (Innenelektrode). Im einfachsten Fall werden zwei solcher Einheiten, von denen die eine p- und die andere n-dotiert wurden, durch eine elektrisch leitende Schicht (Kontaktschicht) über die ganze Länge miteinander verbunden. Der pn-Übergang ist somit hergestellt, an dem der photoelektrische Effekt stattfinden kann. Allerdings ist diese Kontaktschicht nicht so gut, daß eine ausreichende photoelektrische Spannung erreicht wird. Deshalb werden in einer verbesserten Version auf den Drähten bzw. den Stäben jeweils komplette pn- und np-Doppelschichten hergestellt und dann wieder mit einer elektrisch leitfähigen Kontaktschicht zusammengefügt. Auf diese Weise wird nicht nur die Funktionsfähigkeit hergestellt, sondern auch gleichzeitig eine Verdopplung der Spannung erzielt.
Die kalkulierten Herstellungskosten könnten bei einem Wirkungsgrad von 10% der Zellen auf 2.000,- DM/kWp fallen.