Wie funktioniert eine Solarzelle als Sandwich zweier verschiedener Siliziumschichten?

Die Sonne, ein brodelnder Ball aus Kernkraft, hat genug Brennstoff an Bord, um unser Sonnensystem weitere fünf Milliarden Jahre anzutreiben - und Sonnenkollektoren können diese Energie in eine endlose, bequeme Versorgung mit Strom umwandeln.

Da die globale Erwärmung unsere Umwelt weiterhin bedroht, besteht kaum ein Zweifel daran, dass die Solarenergie in Zukunft eine noch wichtigere Form der erneuerbaren Energie sein wird. Aber wie genau funktioniert sie?

Im Durchschnitt empfängt jeder Quadratmeter der Erdoberfläche 163 Watt Sonnenenergie. Mit anderen Worten: Man könnte auf jedem Quadratmeter der Erdoberfläche eine wirklich starke Tischlampe (150 Watt) aufstellen und den ganzen Planeten mit der Energie der Sonne beleuchten! Oder anders ausgedrückt: Wenn wir nur ein Prozent der Wüste Sahara mit Sonnenkollektoren bedecken würden, könnten wir genug Strom erzeugen, um die ganze Welt zu versorgen.

Wie die Zellen in einer Batterie sind auch die Zellen in einem Solarmodul darauf ausgelegt, Strom zu erzeugen; doch während die Zellen einer Batterie Strom aus Chemikalien erzeugen, erzeugen die Zellen eines Solarmoduls Strom, indem sie Sonnenlicht einfangen. Sie werden manchmal als photovoltaische Zellen (PV-Zellen) bezeichnet, weil sie das Sonnenlicht nutzen ("photo" kommt vom griechischen Wort für Licht), um Strom zu erzeugen (das Wort "voltaisch" ist eine Anspielung auf den italienischen Elektrizitätspionier Alessandro Volta, 1745-1827).

Wir können uns vorstellen, dass Licht aus winzigen Teilchen, den so genannten Photonen, besteht. Ein Sonnenstrahl ist also wie ein leuchtend gelber Feuerwehrschlauch, der Billionen von Photonen in unsere Richtung schießt. Eine Solarzelle fängt diese energiereichen Photonen auf und wandelt sie in einen Elektronenfluss um - einen elektrischen Strom. Jede Zelle erzeugt ein paar Volt Strom, so dass die Aufgabe eines Solarmoduls darin besteht, die von vielen Zellen erzeugte Energie zu bündeln, um eine brauchbare Menge an elektrischem Strom und Spannung zu erzeugen. Praktisch alle heutigen Solarzellen bestehen aus Siliziumscheiben (eines der häufigsten chemischen Elemente auf der Erde, das in Sand vorkommt), obwohl, wie wir gleich sehen werden, auch eine Vielzahl anderer Materialien verwendet werden kann (oder stattdessen). Wenn Sonnenlicht auf eine Solarzelle scheint, stößt die Energie, die es transportiert, Elektronen aus dem Silizium heraus. Diese können gezwungen werden, durch einen Stromkreis zu fließen und alles zu versorgen, was mit Strom betrieben wird.

Silizium ist das Material, aus dem die Transistoren (winzige Schalter) in Mikrochips hergestellt werden - und Solarzellen funktionieren auf ähnliche Weise. Silizium ist ein Material, das als Halbleiter bezeichnet wird. Einige Materialien, vor allem Metalle, lassen Strom sehr leicht durch sie hindurchfließen; sie werden als Leiter bezeichnet. Andere Materialien, wie Kunststoffe und Holz, lassen Strom gar nicht erst durch sich hindurchfließen; sie werden als Isolatoren bezeichnet. Halbleiter wie Silizium sind weder Leiter noch Isolatoren: Sie leiten normalerweise keinen Strom, aber unter bestimmten Umständen können wir sie dazu bringen, dies zu tun.

Eine Solarzelle ist ein Sandwich aus zwei verschiedenen Siliziumschichten, die speziell behandelt oder dotiert wurden, so dass sie den Strom in einer bestimmten Weise durch sie fließen lassen. Die untere Schicht ist so dotiert, dass sie etwas zu wenig Elektronen hat. Sie wird p-Typ oder positives Silizium genannt (weil Elektronen negativ geladen sind und diese Schicht zu wenig davon hat). Die obere Schicht ist umgekehrt dotiert, so dass sie etwas zu viele Elektronen hat. Sie wird n-Typ oder negatives Silizium genannt. (Mehr über Halbleiter und Dotierung erfahren Sie in unseren Artikeln über Transistoren und integrierte Schaltungen).

Wenn wir eine Schicht n-Typ-Silizium auf eine Schicht p-Typ-Silizium legen, entsteht an der Verbindungsstelle der beiden Materialien (der wichtigen Grenze, an der die beiden Siliziumarten aufeinandertreffen) eine Barriere. Keine Elektronen können diese Barriere überwinden, so dass auch dann kein Strom fließt, wenn man dieses Silizium-Sandwich an eine Taschenlampe anschließt: Die Glühbirne wird nicht leuchten. Wenn wir jedoch Licht auf das Sandwich leuchten, geschieht etwas Bemerkenswertes. Wir können uns das Licht als einen Strom von energetischen "Lichtteilchen", den Photonen, vorstellen. Wenn Photonen in unser Sandwich eindringen, geben sie ihre Energie an die Atome im Silizium ab. Die eintreffende Energie stößt Elektronen aus der unteren p-Typ-Schicht heraus, so dass sie über die Barriere in die darüber liegende n-Typ-Schicht springen und durch den Schaltkreis fließen. Je mehr Licht einfällt, desto mehr Elektronen springen hoch und desto mehr Strom fließt.

Eine Solarzelle ist ein Sandwich aus n-Silizium und p-Silizium. Sie erzeugt Strom, indem sie das Sonnenlicht nutzt, um Elektronen über die Verbindung zwischen den verschiedenen Siliziumtypen springen zu lassen. Wenn das Sonnenlicht auf die Zelle scheint, wird die obere Fläche mit Photonen (Lichtteilchen) beschossen. Die Photonen tragen ihre Energie durch die Zelle nach unten. Die Photonen geben ihre Energie an die Elektronen in der unteren, p-Typ-Schicht ab. Die Elektronen nutzen diese Energie, um über die Barriere in die obere, n-leitende Schicht zu springen und in den Stromkreis zu entkommen.

Potenzial der Photovoltaik

Die  hat unter den erneuerbaren Energien das größte . Bereits heute kann Solarstrom mit unter 3 Cent pro kWh Strom von Kohle- oder Atomkraftwerken locker unterbieten. Damit liefert uns die Photovoltaik den Schlüssel für eine erfolgreiche Energiewende und funktionierenden Klimaschutz. Doch wie eine Solarzelle funktioniert, ist für Viele schwer zu begreifen. Darum erklärt dieses Video gut verständlich, warum Solarzellen Strom liefern.

Professor Volker Quasching erklärt, wei eine Solarzelle funktioniert.