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Funktion einer Solarzelle

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Eingestellt 3, Mär 2012 in Photovoltaik von Anonym

Warum sammeln sich die Elektronen im oberen Bereich des n-dotierten Halbleiters?

Da doch um den p-n-Übergang im n-dotierten Leiter positive Ladungen sind, verstehe ich nicht warum die Elektronen nicht in diesem Bereich bleiben, sondern durch ihn hindurch nach oben wandern. Ich finde ihren Artikel zur Funktionsweise ansonsten aber sehr gelungen und einfach verständlich.

   

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Beantwortet 14, Mär 2012 von Gabriele Gier (272 Punkte)

Prinzip einer Solarzelle So funktioniert eine Solarzelle (Prinzip einer Solarzelle)  Elektrischer Strom ist nichts anderes als fließende Elektronen in einem Leiter.  Zur Erinnerung: Elektronen sind die kleinen negativ geladenen Teilchen, die um den positiv geladenen Atomkern flitzen. Der Strom wird in der Solarzellen erzeugt, die das Sonnenlicht in freifließende Elektronen umwandeln.  Die Entwicklung der letzten Jahrzehnte hat unterschiedliche Varianten von Solarzellen hervorgebracht, die aus verschiedenen Materialien bestehen. Für alle Arten von Solarzellen kann man aber in einfacher Weise die Fähigkeit zur  Energiewandlung darstellen (Wir erklären hier stellvertretend für andere die kristalline Siliziumsolarzelle):  Das Licht dringt in Form von Lichtquanten oder Photonen in die Solarzelle ein. Dort treffen die Photonen auf die äußeren Elektronen der Siliziumatome. Die Elektronen absorbieren das Photon und werden dadurch mit Energie angereichert. Damit verändern sie ihre angestammte Kreisbahn um das Atom. Die Bahn wird größer, und das Elektron entfernt sich von seinem Atomkern. Vergleichbares passiert beispielsweise auch mit dem Satelliten, der um die Erde kreist: Er entfernt sich von ihr, wenn er schneller wird, was gleichbedeutend mit einer höheren Energie ist. Ist die Energiemenge des Photons hoch genug, kann sich das Elektron ganz von dem Atomkern lösen. Das Ergebnis ist ein freies Elektron, das einen einsamen Atomkern zurücklässt. Weil ihm nun ein Elektron fehlt, spricht der Physiker hier von einem Loch. Auf diese Weise entstehen viele - elektrisch positiv geladene – Atomkerne im Kristallgitter des Siliziums.  Das führt jedoch zu keinem Ergebnis. Denn die freien Elektronen wandern ziellos im Kristallgitter umher. Früher oder später fallen die Elektronen in eines der vielen - Löcher-, das heißt, sie binden sich wieder an ihren Atomkern, dem ein Elektron fehlt. Damit wäre die ganze Arbeit vergeben gewesen. Es muss also gelingen, die umherstreunenden Elektronen zu einer bestimmten Stelle zu ziehen, dem elektrischen Pol- um sie dann der Solarzelle entnehmen zu können. Hierzu haben die Physiker einen angewandt:  Sie bauen in die Siliziumscheibe ein elektrisches Feld ein. Dazu werden in das Kristallgitter einer Siliziumsolarzelle auf der, der Sonne zugewandten Seite, in eine dünne Schicht gezielt Fremdatome eingebracht. Das hoch reine Silizium wird also absichtlich verunreinigt, der Physiker spricht bei diesem Vorgang von Dotierung. Hierzu wird meist das Element Phosphor verwendet. Phosphoratome sind etwa genau so groß wie Siliziumatome, haben allerdings ein Elektron mehr auf der äußeren Elektronen-schale. Dieser Überschuss an Elektronen sorgt dafür, dass auf dieser vorderen Seite der Minuspol der Solarzelle entsteht.  Bereits bei der Herstellung der Siliziumscheiben ist das ganze restliche Silizium mit einer kleinen Menge Boratome dotiert worden. Boratome passen auch sehr gut in das Kristallgitter des Siliziums, haben aber ein Elektron weniger auf der äußeren Schale als das Silizium. Damit ist das restliche Silizium positiv geladen. So entsteht auf der Rückseite der Pluspol. Verbindet man jetzt Minus- und Pluspol in der Regel über einen Stromabnehmer-, wandern die überschüssigen Elektronen vom Minuspol zum Pluspol, wo ein Elektronenmangel herrscht.  Damit fehlen nun im Kristallgitter auf der Seite des Minuspols Elektronen. Hierdurch werden die von den Photonen produzierten umherschwirrenden freien Elektronen zum Minuspol gezogen und das Spiel beginnt erneut: Der Strom fließt.

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