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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Das Funktionsprinzip von Solarzellen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Obwohl viele von uns es nicht wissen, ist die Möglichkeit, aus Sonnenlicht Strom zu erzeugen, seit über 100 Jahren bekannt. Das Phänomen der Photoelektrizität wurde erstmals 1839 von Edmond Becquerel beobachtet. Bei einem seiner zahlreichen Experimente mit Elektrizität legte er zwei Metallplatten in eine leitfähige Lösung und beleuchtete die Installation mit Sonnenlicht. Zu seinem großen Erstaunen stellte er fest, dass bei diesem Vorgang eine elektromotorische Kraft (EMF) erzeugt wurde. Diese zufällige Entdeckung blieb bis 1873 unbemerkt, als Willoughby Smith einen ähnlichen Effekt entdeckte, als eine Selenplatte mit Licht bestrahlt wurde. Und obwohl seine ersten Experimente unvollkommen waren, markierten sie den Beginn der Geschichte der Halbleitersolarzellen. Auf der Suche nach neuen Energiequellen erfand Bell Labs die Silizium-Solarzelle, die zum Vorläufer der heutigen Photovoltaik-Wandler wurde. Erst Anfang der 50er Jahre. Die Solarzelle hat einen relativ hohen Grad an Perfektion erreicht. Grundlagen der Halbleitertheorie Silizium ist das wichtigste Halbleitermaterial in der modernen Elektronik. Auch die meisten modernen Solarzellen bestehen aus Silizium. Ein Halbleiter ist ein Stoff, der weder ein guter Leiter noch ein guter Isolator ist. Kupfer ist beispielsweise ein ausgezeichneter Leiter, sein Anwendungsbereich ist sehr breit. Überall dort, wo es darum geht, elektrische Energie von einem Ort zum anderen zu übertragen, ist Kupfer ein unverzichtbarer Helfer. Das Gleiche gilt auch für Aluminium. Andererseits hat Glas eine vernachlässigbare elektrische Leitfähigkeit, ist aber ein gutes Dielektrikum. Wenn Sie den Weg des elektrischen Stroms blockieren müssen, kann dieses Problem mit einem Glasisolator erfolgreich gelöst werden. Die Isolatoren der Polschuhe der ersten Telefone bestanden übrigens aus Glas.
Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern liegt zwischen diesen beiden Grenzfällen. In manchen Anwendungen können Halbleiter als Leiter dienen, in anderen als Isolatoren. Allerdings ist reines Silizium immer noch eher ein Isolator und leitet den Strom sehr schlecht. Der Grund dafür liegt in der Besonderheit seiner Kristallstruktur. Mithilfe sogenannter Valenzelektronen werden Siliziumatome miteinander verbunden. Am besten stellt man sich diese Verbindungen als „Hände“ vor. Jedes Siliziumatom hat vier Arme. Siliziumatome sind sehr „gesellig“, sie mögen keine Einsamkeit. Deshalb versuchen sie, mit den sie umgebenden Atomen „Händchen zu halten“. Da jedes Atom vier „Hände“ hat, mit denen es die „Hände“ seiner Nachbarn ergreift, bilden sie zusammen das in Abb. 1. Dadurch sind alle vier „Arme“ des Atoms besetzt. Folglich gibt es in einer solchen Struktur keine freien Elektronen („Hände“) und ohne freie Elektronen ist ein elektrischer Strom kaum möglich. Für die Bedürfnisse der Elektronik ist dieser Zustand inakzeptabel. Damit Strom fließen kann, muss der Kristall über freie Elektronen verfügen. Dies wird durch das Einbringen von Verunreinigungen in die Originalsubstanz erreicht. Dieser Vorgang wird Doping genannt. Dotierung von Halbleitern Nehmen wir an, wir hätten ein Siliziumatom in unserer Kristallstruktur genommen und durch ein Atom mit einer Wertigkeit von fünf (mit anderen Worten, mit fünf „Armen“) ersetzt. Ein solches Atom ist beispielsweise ein Boratom. Einmal unter seinen „Neuen“. Nachbarn“ und nimmt sie „bei den Händen“, wird dieses Atom bald entdecken, dass eine „Hand“ davon frei ist. (Der Autor irrt sich – als Donor (Quelle freier Elektronen) werden Phosphoratome mit einer Wertigkeit von fünf verwendet) , und als Akzeptoren, die den Eintritt positiver Ladungen (Löcher) in Siliziumkristalle ermöglichen, werden Boratome verwendet, die durch eine Wertigkeit von drei gekennzeichnet sind. - Ca. Hrsg.)
Diese unabhängige „Hand“ ist nichts anderes als ein freies Elektron. Da das Boratom mehr oder weniger davon überzeugt ist, dass vier seiner fünf „Arme“ – Elektronen – besetzt sind, macht es sich über das Schicksal des fünften keine großen Sorgen. Bei der geringsten Störung „bricht“ das Elektron ab. Das ist die Essenz des Dopings. Je mehr Verunreinigungen wir in den Kristall einbringen, desto mehr freie Elektronen befinden sich darin und desto besser leitet das Silizium den elektrischen Strom. Beim Doping kann es auch zum umgekehrten Vorgang kommen. Wenn das Siliziumatom durch ein dreiwertiges Atom, beispielsweise Phosphor, ersetzt wird, entsteht in unserer Struktur ein sogenanntes Loch. Dadurch mangelt es im Kristall an Elektronen, und er nimmt diese problemlos in sein Gitter auf. Aufgrund der Tatsache, dass in einer solchen Struktur die Atome versuchen, Elektronen einzufangen, bewegen sich die resultierenden Löcher durch die Struktur, in der es an Elektronen mangelt. Tatsächlich bewegen sich Elektronen von Loch zu Loch und leiten so Elektrizität. Herstellung von Solarzellen Nun könnte man denken, dass etwas passieren muss, wenn man einen dotierten Siliziumkristall mit einem Mangel an Elektronen und einen dotierten Kristall mit einem Überschuss an Elektronen nimmt und sie zusammenfügt.
Bei engem mechanischen Kontakt zwischen zwei Kristallen nähern sich die Atome in den oberflächennahen Bereichen einander so sehr an, dass die Phosphoratome ihre zusätzlichen Elektronen leicht abgeben und die Boratome sie bereitwillig aufnehmen. Dadurch wird das elektrische Gleichgewicht des Kristalls wiederhergestellt. Bedenken Sie jedoch, dass Kristalle eine sehr starre Struktur haben, sodass der Austausch nur zwischen Atomen stattfindet, die in engstem Kontakt miteinander stehen. Die Dicke der Fläche dieses Kontakts überschreitet nicht die Größe mehrerer Atome und das Volumen des Halbleiters bleibt unverändert. Um diesen Effekt zu erzielen, bedarf es natürlich mehr als nur dem Zusammenfügen zweier Siliziumstücke. Silizium wird am häufigsten durch einen Hochtemperatur-Diffusionsprozess dotiert. Dadurch entsteht an der Grenze zwischen den Bereichen in der Tiefe des Halbleiters, die mit unterschiedlichen Verunreinigungen dotiert sind, ein hyperdünner Grenzflächenbereich, der sogenannte pn-Übergang. In diesem Bereich findet die Umwandlung von Licht in Strom statt. Wenn ein Lichtteilchen, Photon genannt, mit ausreichender Energie auf einen pn-Übergang trifft, schlägt es ein Elektron aus und macht es frei, d. h. bewegungsfähig. Die Energie des Photons wird dann auf das Elektron übertragen. In diesem Fall entsteht ein Loch im Kristallgitter. Es muss berücksichtigt werden, dass der Übergangsbereich dazu neigt, das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Dieser als Photoionisation bezeichnete Prozess findet nicht nur im Bereich des pn-Übergangs statt, sondern auch in jedem anderen Teil des Kristalls, in den Sonnenlicht eindringt und über eine ausreichend große Energie verfügt, die zur Erzeugung freier Ladungsträger – eines Elektrons und eines Lochs – erforderlich ist. Aufgrund der Tatsache, dass es im n-Typ-Material an Löchern und im p-Typ-Material an Elektronen mangelt, werden Loch und Elektron getrennt und wandern in unterschiedliche Richtungen. Aber jetzt ist das Gleichgewicht aus dem Gleichgewicht geraten. Ein Elektron, das die Energie eines Photons erhalten hat, möchte sich wieder mit seinem Antipoden (Loch) verbinden und ist bereit, dafür seine Energie aufzuwenden. Leider stellt der pn-Übergang eine Potentialbarriere dar, die das Elektron nicht überwinden kann. Wenn wir jedoch die Bereiche mit p- und n-Leitern mit einem Leiter verbinden, wird dieses Hindernis erfolgreich überwunden und das Elektron „dringt“ durch die „Hintertür“ zu seinem Loch durch. In diesem Fall gibt das Elektron unterwegs seine Energie aus, die wir nutzen. Eigenschaften von Solarzellen Der pn-Übergang ist ein gewaltiges Hindernis für die Bewegung von Elektronen. Aber es kann nicht als unwiderstehlich bezeichnet werden. Die Energie, die ein Elektron von einem Photon erhält, reicht normalerweise nicht aus, um diese Barriere zu überwinden und sich mit einem Loch zu verbinden, aber das ist nicht immer der Fall.
Die Potentialbarrierehöhe des pn-Übergangs beträgt etwa 600 mV (0,6 V). Elektronen mit Energien über 600 mV können diese Wand „erklimmen“ und absorbiert werden. Daher beträgt die maximale Spannung, die eine Solarzelle entwickeln kann, 600 mV. Der tatsächliche Wert hängt jedoch von der Art des Halbleitermaterials und dem Design der Solarzelle ab.
Durch den Anschluss einer Last an eine Solarzelle wird die Energie einiger Elektronen reduziert, auch der energiereicheren. Dadurch sinken die Gesamtspannung der Solarzelle und die Anzahl der Elektronen, die die pn-Übergangsbarriere überwinden können. Mit zunehmendem Lastwiderstand werden immer mehr Elektronen durch ihn „herausgepumpt“ und die Spannung sinkt noch mehr. Doch irgendwann passiert etwas Seltsames. Bei 450 mV (0,45 V) steigt der Strom (Elektronenfluss) nicht mehr an, obwohl die Spannung weiter abnimmt. Das „Plateau“ der Strömung ist erreicht. Dieses Phänomen ist auf die endliche Anzahl an Photonen zurückzuführen, die auf den pn-Übergang einfallen. Es ist bekannt, dass je mehr Photonen den pn-Übergang erreichen, desto mehr Elektronen werden freigesetzt. Mehr Photonen – mehr Strom. Es kommt jedoch der Zeitpunkt, an dem buchstäblich jedes Photon, das in den pn-Übergang gelangt ist, verbraucht wird und die Anzahl der freien Elektronen und damit der Strom nicht mehr zunimmt. Dies entspricht dem Auftreten eines „Plateaus“ in der Kennlinie der Solarzelle. Natürlich hängt die Anzahl der freien Elektronen auch von der Oberfläche und der Lichtintensität ab. Offensichtlich werden mit zunehmender Zellfläche mehr Photonen eingefangen und der Strom erhöht. Ebenso steigt mit zunehmender Lichtintensität die Konzentration der Photonen in einem bestimmten Bereich, wodurch auch der Strom zunimmt. Solarzellen-Effizienz Normalerweise wird angenommen, dass die durchschnittliche Intensität des Sonnenlichts, das die Erdoberfläche erreicht, 100 mW/cm2 beträgt. Mit anderen Worten: Eine 10x10 cm2 große Solarzelle sollte theoretisch 10 Watt Leistung erzeugen. Leider kann und wird keine Solarzelle einen solchen Strom erzeugen: Es wird immer Verluste geben. Der höchste bisher erreichte Wirkungsgrad (Wirkungsgrad) (und selbst dann mit Kaskadenfotozellen im Versuchslabor) liegt bei etwa 30 %. Der Wirkungsgrad einer herkömmlichen Silizium-Solarzelle liegt zwischen 10 und 13 %. Ein Element mit einer Fläche von 100 cm2 kann etwa 1 Watt Leistung erzeugen. Natürlich hängt die Effizienz einer Solarzelle von vielen Faktoren ab, von denen die Änderung der Umgebungstemperatur am bedeutendsten ist. Mit steigender Temperatur wird das Kristallgitter angeregt und seine Atome schwingen stärker. Dies wiederum führt zu einem Anstieg des Energieniveaus der Elektronen innerhalb der Struktur. Wenn mit der Zeit das Energieniveau der Elektronen so stark ansteigt, dass die meisten von ihnen die Potentialbarriere des pn-Übergangs überwinden können, nimmt die Rekombination im Halbleiter stark zu. Dies führt dazu, dass weniger Elektronen die Gitterkollektoren erreichen und der elektrische Strom in der Last abnimmt. Andererseits trägt eine niedrige Temperatur zur tatsächlichen Verstärkung des photoelektrischen Effekts bei. Der Hauptgrund für die Abnahme des Wirkungsgrades von Solarzellen mit steigender Temperatur ist die Abnahme des Werts der Potentialbarriere des pn-Übergangs, was zu einem Abfall der von der Zelle erzeugten Spannung führt. Autor: Byers T.
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