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Vorgänge in der Sperrschicht/
Die Solarzelle ist im Allgemeinen wie eine Halbleiterdiode aufgebaut: Sie setzt sich aus zwei dotierten Halbleiterstücken zusammen.
Definition: Dotierung
Durch geringe, genau bemessene "Verunreinigungen" läßt sich die Leitfähigkeit von Germanium- oder Siliziumkristallen stark erhöhen. Fremdatome im Kristallgitter erzeugen zusätzliche Leitungselektronen oder "Löcher".
Diese Fremdatome müssen 5 oder 3 Valenzelektronen besitzen, also ein Valenzelektron mehr oder weniger als die Atome des Halbleiterstoffes (hier: Silizium). Den Einbau der Fremdatome in das Kristallgitter nennt man Dotierung. Dieser Einbau geschieht in der Regel durch Diffusion bei hohen Temperaturen.
Bei einem N-Leiter baut man in das Kristallgitter des Halbleiters Atome mit 5 Valenz-elektronen ein, z.B. Antimon-Atome (Sb) oder Phosphor-Atome (P). Dadurch entstehen überschüssige negative Leitungselektronen. Daraus folgt der Name N-Leiter (N für negativ) oder auch Überschußhalbleiter.
Antimon-Atome (Sb) besitzen 5 Valenzelektronen in ihrer äußeren Schale. Beim Einfügen in das Kristallgitter des reinen Siliziums werden jedoch nur 4 Valenzelektronen zur Bindung gebraucht. Daraus folgt, dass ein Elektron ohne Bindung bleibt. Dieses überschüssige Elektron ist nun in diesem Kristall frei beweglich; man bezeichnet es daher als Leitungselektron. Da das eingefügte Antimon-Atom nicht geladen war, bleibt der Kristall nach außen hin elektrisch neutral.
Bei einem P-Leiter baut man in das Kristallgitter des Halbleiters Atome mit 3 Valenzelektronen ein, z.B. Indium-Atome (In) oder Aluminium-Atome (Al). Dadurch entstehen überschüssige positive "Löcher" oder Defektelektronen. Daraus folgt der Name P-Leiter (P für positiv)
oder auch Defekthalbleiter.
Indium- oder Aluminium-Atome besitzen in ihrer äußersten Schale 3 Valenzelektronen. Bei Einbau dieser Atome in das Kristallgitter fehlt nun ein Elektron zur Bindung. Dadurch entsteht ein sogenanntes "Loch". Auch hier gilt:
Da ein elektrisch neutrales Atom eingebaut wurde, bleibt das Gitter als Ganzes ebenfalls nach außen neutral.
Sowohl der n-dotierte als auch der p-dotierte Halbleiter sind vor dem Zusammenbringen nach außen elektrisch neutral ! (s.o.) Aufgrund der fehlenden Bindungsmöglichkeiten im N-Leiter gibt es jedoch frei bewegliche negative Ladungen. Im P-Leiter gibt es hingegen aufgrund der fehlenden Bindungsmöglichkeit positive Löcher (Abb. 2).
Ohne äußere Einwirkung rekombinieren einige der frei beweglichen Elektronen der n-Schicht mit Löchern der p-Schicht. Dadurch entsteht eine elektrisch neutrale Zone (Grenzschicht), die von einen elektrischen Feld umgeben ist (Abb. 3). Dieses elektrische Feld entsteht durch Ver-schiebung der Elektronen bzw. der Löcher. Löcher entstehen dort, wo sich vorher Elektronen befanden und negative Ladungen entstehen dort, wo zuvor Löcher waren.
Abb. 2
(A) n-dotierter Halbleiter (Si)
(B) p-dotierter Halbleiter (Si)
Abb. 3
Werden nun die Elektroden miteinander verbunden und fällt Licht auf die Oberfläche der Solarzelle (Abb. 4), treffen diese einfallenden Lichtquanten mit einem hohen Energiegehalt
( W = h * f; Energie = Plancksches Wirkungsquantum h mal wellenoptische Frequenz f; Einsteinsche Lichtquantenthoerie) auf die Atome in der Grenzschicht. So werden die Elek-tronen aus ihrer Bindung gelöst (Abb. 5) und gelangen in das elektrisch positive Feld der
n-Schicht. Elektronen des elektrisch negativen Feldes der p-Schicht gelangen zu den neu ent-standen Defizit-Elektronen in der Grenzschicht und hinterlassen ihrerseits Defizit-Elektronen. So bilden sich an den beiden Elektroden elektrische Ladungen, durch die eine Spannung ent-steht: Strom fließt!
Abb. 4
Licht Energie in Form von Wärme
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