Funktionsprinzip der Solarzelle oder Photovoltaikzelle
Die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie basiert auf einem Phänomen, das als photovoltaischer Effekt bekannt ist. Wenn Halbleitermaterialien dem Licht ausgesetzt werden, werden einige der Photonen des Lichtstrahls vom Halbleiterkristall absorbiert, was eine signifikante Anzahl freier Elektronen im Kristall verursacht. Dies ist der grundlegende Grund für die Erzeugung von Elektrizität durch den photovoltaischen Effekt. Die Photovoltaische Zelle ist die grundlegende Einheit des Systems, in der der photovoltaische Effekt genutzt wird, um Elektrizität aus Lichtenergie zu erzeugen. Silizium ist das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial zur Herstellung der Photovoltaikzelle. Das Siliziumatom hat vier Valenzelektronen. In einem festen Kristall teilt jedes Siliziumatom jedes seiner vier Valenzelektronen mit einem anderen benachbarten Siliziumatom, wodurch kovalente Bindungen zwischen ihnen entstehen. Auf diese Weise erhält der Siliziumkristall eine tetraedrische Gitterstruktur. Wenn ein Lichtstrahl auf Materialien trifft, wird ein Teil des Lichts reflektiert, ein Teil wird durch die Materialien hindurchgeleitet und der Rest wird von den Materialien absorbiert.
Das gleiche passiert, wenn Licht auf einen Siliziumkristall fällt. Wenn die Intensität des einfallenden Lichts hoch genug ist, werden genügend Photonen vom Kristall absorbiert und diese Photonen regen wiederum einige der Elektronen der kovalenten Bindungen an. Diese angeregten Elektronen erhalten dann genügend Energie, um von der Valenzband in das Leitungsband zu wechseln. Da die Energieebene dieser Elektronen im Leitungsband liegt, verlassen sie die kovalente Bindung und hinterlassen ein Loch in der Bindung hinter jedem entfernten Elektron. Diese werden als freie Elektronen bezeichnet, die sich zufällig innerhalb der Kristallstruktur des Siliziums bewegen. Diese freien Elektronen und Löcher spielen eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung von Elektrizität in einer Photovoltaikzelle. Diese Elektronen und Löcher werden daher als lichtinduzierte Elektronen und Löcher bezeichnet. Diese lichtinduzierten Elektronen und Löcher können allein im Siliziumkristall keine Elektrizität erzeugen. Es muss ein zusätzlicher Mechanismus vorhanden sein, um dies zu ermöglichen.
Wenn ein pentavalentes Verunreinigungsatom wie Phosphor zum Silizium hinzugefügt wird, werden die vier Valenzelektronen jedes pentavalenten Phosphoratoms durch kovalente Bindungen mit vier benachbarten Siliziumatomen geteilt, und das fünfte Valenzelektron hat keine Möglichkeit, eine kovalente Bindung zu bilden.
Dieses fünfte Elektron ist dann relativ lose mit seinem Elternatom verbunden. Selbst bei Raumtemperatur ist die thermische Energie, die im Kristall verfügbar ist, groß genug, um diese relativ losen fünften Elektronen von ihren Elternphosphoratomen zu trennen. Während dieses fünfte relativ lose Elektron von seinem Elternphosphoratom getrennt wird, werden die Phosphoratome unbewegliche positive Ionen. Das getrennte Elektron wird frei, hat aber kein unvollständiges kovalentes Bindungsloch im Kristall, mit dem es sich wieder verbinden könnte. Diese freien Elektronen, die aus pentavalenten Verunreinigungen stammen, sind immer bereit, Strom im Halbleiter zu leiten. Obwohl es viele freie Elektronen gibt, bleibt das Material elektrisch neutral, da die Anzahl der positiven Phosphorionen, die in der Kristallstruktur eingeschlossen sind, genau der Anzahl der freien Elektronen entspricht, die aus ihnen kommen. Der Vorgang, Verunreinigungen in Halbleiter einzuführen, wird als Dotierung bezeichnet, und die eingeführten Verunreinigungen werden als Dotierstoffe bezeichnet. Pentavale Dotierstoffe, die ihr fünftes freies Elektron dem Halbleiterkristall spenden, werden als Spender bezeichnet. Halbleiter, die mit Spenderverunreinigungen dotiert sind, werden als n-Typ oder negativer Typ Halbleiter bezeichnet, da es viele freie Elektronen gibt, die nach ihrer Natur negativ geladen sind.
Wenn statt pentavaler Phosphoratome trivalente Verunreinigungsatome wie Bor zu einem Halbleiterkristall hinzugefügt werden, wird der entgegengesetzte Typ von Halbleiter erstellt. In diesem Fall werden einige Siliziumatome im Kristallgitter durch Boratome ersetzt, d. h. die Boratome werden die Positionen der ersetzen Siliziumatome im Gitter einnehmen. Drei Valenzelektronen des Boratoms werden mit den Valenzelektronen von drei benachbarten Siliziumatomen paarweise zu drei vollständigen kovalenten Bindungen. Bei dieser Konfiguration gibt es für jedes Boratom ein Siliziumatom, dessen viertes Valenzelektron keinen benachbarten Valenzelektronen findet, um seine vierte kovalente Bindung abzuschließen. Daher bleibt dieses vierte Valenzelektron dieser Siliziumatome ungepaart und verhält sich als unvollständige Bindung. Es fehlt also ein Elektron in der unvollständigen Bindung, und daher zieht eine unvollständige Bindung immer Elektronen an, um diesen Mangel auszugleichen. So gibt es eine Lücke, in die das Elektron sitzen kann.
Diese Lücke wird konzeptionell als positives Loch bezeichnet. In einem mit trivalenten Verunreinigungen dotierten Halbleiter werden kontinuierlich eine signifikante Anzahl von kovalenten Bindungen gebrochen, um andere unvollständige kovalente Bindungen abzuschließen. Wenn eine Bindung gebrochen wird, entsteht ein Loch darin. Wenn eine Bindung abgeschlossen wird, verschwindet das Loch darin. Auf diese Weise scheint ein Loch, wo eines verschwindet, in einem Nachbarloch aufzutauchen. Dadurch haben Löcher eine relative Bewegung innerhalb des Halbleiterkristalls. Aus Sicht dessen kann gesagt werden, dass Löcher auch frei beweglich sein können wie freie Elektronen innerhalb des Halbleiterkristalls. Da jedes Loch ein Elektron akzeptieren kann, werden trivalente Verunreinigungen als Akzeptordotierstoffe bezeichnet und Halbleiter, die mit Akzeptordotierstoffen dotiert sind, als p-Typ oder positiver Typ Halbleiter bezeichnet.
In n-Typ-Halbleitern tragen hauptsächlich die freien Elektronen eine negative Ladung und in p-Typ-Halbleitern tragen hauptsächlich die Löcher eine positive Ladung, daher werden die freien Elektronen in n-Typ-Halbleitern und die freien Löcher in p-Typ-Halbleitern als Mehrheitsladungsträger in n-Typ- und p-Typ-Halbleitern bezeichnet.
Es gibt immer eine Potenzialbarriere zwischen n-Typ- und p-Typ-Material. Diese Potenzialbarriere ist essentiell für die Funktion einer Photovoltaik- oder Solarzelle. Wenn n-Typ-Halbleiter und p-Typ-Halbleiter in Kontakt kommen, finden die freien Elektronen in der Nähe der Kontaktoberfläche des n-Typ-Halbleiters viele benachbarte Löcher des p-Typ-Materials. Daher springen die freien Elektronen in der Nähe der Kontaktoberfläche des n-Typ-Halbleiters in die benachbarten Löcher des p-Typ-Materials, um sich zu rekombinieren. Nicht nur die freien Elektronen, sondern auch die Valenzelektronen des n-Typ-Materials in der Nähe der Kontaktoberfläche lösen sich aus der kovalenten Bindung und rekombinieren mit näheren Löchern im p-Typ-Halbleiter. Da die kovalenten Bindungen gebrochen werden, entstehen in der Nähe der Kontaktoberfläche des n-Typ-Materials eine Anzahl von Löchern. Daher verschwinden in der Nähe der Kontakzone die Löcher im p-Typ-Material aufgrund der Rekombination, während Löcher im n-Typ-Material in der gleichen Kontakzone erscheinen. Dies ist so, als ob die Löcher vom p-Typ zum n-Typ-Halbleiter migrieren. Sobald ein n-Typ-Halbleiter und ein p-Typ-Halbleiter in Kontakt kommen, übertragen die Elektronen vom n-Typ zum p-Typ und die Löcher vom p-Typ zum n-Typ. Der Prozess ist sehr schnell, aber nicht endlos. Nach einiger Zeit bildet sich in der Nähe der Kontaktoberfläche des p-Typ-Halbleiters eine Schicht negativer Ladung (überzählige Elektronen) und in der Nähe der Kontaktoberfläche des n-Typ-Halbleiters eine Schicht positiver Ladung (positive Ionen). Die Dicke dieser negativen und positiven Ladungsschichten nimmt bis zu einem gewissen Grad zu, danach wandern keine weiteren Elektronen vom n-Typ-Halbleiter zum p-Typ-Halbleiter. Das liegt daran, dass, wenn ein Elektron des n-Typ-Halbleiters versucht, über den p-Typ-Halbleiter zu wandern, es eine ausreichend dicke Schicht positiver Ionen im n-Typ-Halbleiter selbst vorfindet, wo es ohne Überschreiten fällt. Ähnlich wandern keine weiteren Löcher zum n-Typ-Halbleiter vom p-Typ. Wenn Löcher versuchen, die negative Schicht im p-Typ-Halbleiter zu durchqueren, rekombinieren sie mit Elektronen und bewegen sich nicht mehr in Richtung des n-Typ-Bereichs.
Mit anderen Worten, die negative Ladungsschicht auf der p-Typ-Seite und die positive Ladungsschicht auf der n-Typ-Seite bilden zusammen eine Barriere, die die Wanderung von Ladungsträgern von einer Seite zur anderen entgegenwirkt. Ähnlich werden die Löcher im p-Typ-Bereich davon abgehalten, in den n-Typ-Bereich einzudringen. Aufgrund der positiven und negativen Ladungsschichten gibt es ein elektrisches Feld über den Bereich, und dieser Bereich wird als Depletionsschicht bezeichnet.
Nun kommen wir zum Siliziumkristall. Wenn ein Lichtstrahl auf den Kristall trifft, wird ein Teil des Lichts vom Kristall absorbiert, und dadurch werden einige der Valenzelektronen angeregt und lösen sich aus der kovalenten Bindung, wodurch freie Elektron-Loch-Paare entstehen.
Wenn Licht auf einen n-Typ-Halbleiter trifft, können die Elektronen aus solchen lichtinduzierten Elektron-Loch-Paaren nicht in den p-Bereich wandern, da sie die Potenzialbarriere aufgrund der Abstoßung des elektrischen Feldes in der Depletionsschicht nicht überqueren können. Gleichzeitig überqueren die lichtinduzierten Löcher die Depletionsschicht aufgrund der Anziehung des elektrischen Feldes der Depletionsschicht, wo sie sich mit Elektronen rekombinieren. Der Mangel an Elektronen hier wird durch die Valenzelektronen des p-Bereichs ausgeglichen, und dies führt zu einer entsprechenden Anzahl von Löchern im p-Bereich. So werden die lichtinduzierten Löcher in den p-Bereich verschoben, wo sie gefangen bleiben, da sie, sobald sie in den p-Bereich kommen, aufgrund der Abstoßung der Potenzialbarriere nicht zurück in den n-Typ-Bereich gelangen können.
Da die negative Ladung (lichtinduzierte Elektronen) auf einer Seite und die positive Ladung (lichtinduzierte Löcher) auf der gegenüberliegenden Seite einer Zelle gefangen sind, gibt es ein Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Seiten der Zelle. Diese Spannungsdifferenz beträgt in der Regel 0,5 V. So erzeugen Photovoltaikzellen oder Solarzellen eine Spannungsdifferenz.
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