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Aufbau in Schichten – die Solarzelle

Schließt man einen elektrischen Leiter an die Kontakte einer Solarzelle, so fließen wie bei einer Batterie Elektronen, also Strom, vom Minus- zum Pluspol. Damit das möglich ist, müssen in der Solarzelle Elektronen und frei bewegliche positive Ladungsträger – Atome, die ein Elektron abgegeben haben – zunächst erzeugt und dann voneinander so getrennt werden, dass sie sich an den Kontakten ansammeln. Die Energie für diese Vorgänge stammt aus den Lichtteilchen, die in der Solarzelle eingefangen wurden. Solarzellen basieren auf bestimmten Materialien, den Halbleitern. Halbleiter wie etwa Silizium werden bei Zufuhr von Wärme oder Licht elektrisch leitend. Indem man sie gezielt verunreinigt – Wissenschaftler sprechen von "dotieren" –, kann man die Zahl der beweglichen Ladungsträger in der Solarzelle und damit auch die Stromausbeute erhöhen.

Aufbau in Schichten - die Solarzelle

Der Aufbau einer Solarzelle, wie sie in Jülich erforscht wird, ist hier schematisch abgebildet: Zwei Elektroden – die Kontakte – umschließen ein Paket aus drei verschiedenen Halbleiterschichten. Die obere Elektrode ist lichtdurchlässig, damit die Lichtteilchen bis in die Halbleiterschichten durchdringen. Die untere Elektrode kann Lichtteilchen, die übers Ziel hinausgeschossen sind, zurück in die Halbleiterschichten reflektieren (reflektierender Rückkontakt). So wird alles einfallende Sonnenlicht optimal ausgenutzt.

Eine Glasschicht schützt die Solarzelle. Das Halbleiter-Sandwich im Inneren der Solarzelle besteht aus einer undotierten i-Schicht in der Mitte, die zwei unterschiedlich dotierte Schichten miteinander verbindet: die sogenannte n- und die p-dotierte Schicht. In die n-dotierte Schicht (n für negativ) schleusen die Forscher Fremdatome, die mehr Elektronen mitbringen als das Ausgangsmaterial. In die p-dotierte Schicht (p für positiv) werden Atome eingefügt, die weniger Elektronen besitzen als ihre Nachbarn. Diese Schicht leitet positive Ladungen. Die Kombination der drei Halbleiter-Schichten bewirkt, dass Elektronen und positive Ladungsträger systematisch getrennt werden.

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