Photovoltaik
Wie Licht in Strom umgewandelt wird
Sonnenlicht ist die am häufigsten vorkommende und absolut frei verfügbare Form der Energie auf unserem Planeten. Pro Stunde wird mehr Energie in Form von Licht auf die Erde transportiert, als die gesamte Menschheit in einem ganzen Jahr verbraucht. Vor mehr als 60 Jahren wurde eine Technologie entwickelt, mit der Licht direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.
GRUNDSTOFF SAND
Um diese Energie in Strom umwandeln zu können, brauchen wir die Hilfe eines sehr häufig vorkommenden Materials, dem Sand. Der Sand muss in 99.999% reines Silizium umgewandelt werden, um in Solarzellen verwendet werden zu können. Dazu muss der Sand einen komplexen Reinigungsprozess durchlaufen, bei dem er auf bis zu 2000 Grad Celsius erhitzt wird. Das rohe Silizium wird dabei in eine gasförmige Siliziumverbindungsform umgewandelt. Dieses wird mit Wasserstoff gemischt, um hochgereinigtes kristallines Silizium zu erhalten. Diese Siliziumblöcke werden umgeformt und in sehr dünne Scheiben geschnitten, die als Siliziumwafer bezeichnet werden. Der Siliziumwafer ist das Herzstück einer Photovoltaikzelle.
ELEKTRONEN UND LÖCHER IM HALBLEITER
Der reine Siliziumwafer ist ein sogenannter Halbleiter. In seinem Ruhezustand ist es die Aufgabe der Elektronen in diesem Kristall die Bindung zwischen den Atomen herzustellen. Es sind keine freien Elektronen für die Leitung von Strom verfügbar. Scheint jedoch Licht auf den Kristall, wird genug Energie auf die Atome übertragen, um einzelne Elektronen aus ihrer Bindung zu lösen, die sich dadurch frei im Kristall bewegen und Strom transportieren können. An der Stelle, an der das Elektron aus einer Bindung herausgelöst wurde, entsteht ein sogenanntes Loch, das sich genau wie das gelöste Elektron frei im Kristall bewegen kann. Diese Bewegung der Elektronen und der Löcher ist aber zunächst noch rein zufällig, es wird noch kein Strom erzeugt.
FREMDATOME ERMÖGLICHEN STROM
Um die Bewegung der Elektronen in eine Richtung zu lenken, wenn Licht auf den Halbleiter scheint, bringt man an der oberen und an der unteren Seite der Photovoltaikzelle gezielt Fremdatome in den Siliziumwafer ein. An der Oberseite werden Phosphor-Atome eingebracht, die mehr Elektronen für Bindungen zur Verfügung haben als die Silizium Atome. Dadurch entstehen freie Elektronen in diesem Bereich. Man nennt auch negativ dotiert, da ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen entsteht. An der Unterseite werden Bor-Atome mit weniger Bindungselektronen als Silizium eingebracht, wodurch in diesem Bereich Löcher entstehen. Dies wird als positive Dotierung bezeichnet. Werden nun durch das Licht Elektronen und Löcher im Kristall frei, wandern diese aufgrund der unterschiedlichen Dotierung an der Ober- und Unterseite der Zelle in bestimmte Richtungen, wodurch ein gerichteter Strom entsteht.
FINGER UND BUSSE FÜR DEN STROM
Um den Strom, der in der Zelle erzeugt wird abzutransportieren benötigt man elektrische Kontakte aus Metall. Um möglichst viel Licht auf die Zelle zu lassen werden die Metall-Kontakte in Form von sehr dünnen Bahnen, sogenannten Fingern, auf die Zellen aufgedruckt. Der Strom, der in den vielen kleinen Fingern fließt, wird wiederum in dickeren Bahnen, sogenannten Bussen, von der Zelle abgeleitet. Auf der Rückseite der Zelle ist meist eine durchgehende Metallschicht zur Ableitung des Stroms aufgebracht.