Was ist der photovoltaische Effekt in Halbleitern?
Der photovoltaischer Effekt beschreibt das Auftreten einer Potentialdifferenz (Spannung) zwischen zwei Schichten einer Halbleiterscheibe mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten oder zwischen einem Halbleiter und einem Metall, wenn sie von einem Lichtstrom beeinflusst werden.
Photovoltaischer Effekt und Halbleiterstruktur von PVs
Der PV-Effekt bezeichnet einen physikalischen Prozess, bei dem eine PV-Zelle Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandelt. Sobald eine PV-Zelle dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, generiert sie elektrische Energie durch die absorbierte Lichtmenge, während überschüssiges Sonnenlicht entweder reflektiert oder durchgelassen wird. Die Energie des absorbierten Lichts regt die Elektronen in den Atomen der PV-Zelle an. Diese angeregten Elektronen verlassen ihre normalen Positionen im Halbleitermaterial der PV-Zelle und erzeugen einen elektrischen Fluss, was letztendlich elektrischen Strom in einem externen Stromkreis erzeugt, der mit den Anschlüssen der PV-Zelle verbunden ist.
Das in PV-Zellen eingebaute elektrische Feld, ein charakteristisches elektrisches Merkmal, ist für die Spannungspotentialdifferenz verantwortlich, die den Strom durch eine externe Last antreibt. Um dieses eingebaute elektrische Feld innerhalb einer PV-Zelle zu erzeugen, werden zwei Schichten unterschiedlicher Halbleitermaterialien miteinander in Kontakt gebracht. Die erste Schicht, vom n-Typ, ist elektronenreich und negativ geladen, während die andere Schicht, vom p-Typ, zahlreiche Löcher aufweist und positiv geladen ist. Aufgrund des Überschusses an Elektronen im Silizium vom n-Typ und der überschüssigen Löcher im Silizium vom p-Typ entsteht an der Grenzfläche dieser Schichten ein p/n-Übergang, wodurch ein elektrisches Feld erzeugt wird.
Bei diesem Kontakt bewegen sich die überschüssigen Elektronen von der n-Typ-Seite zur p-Typ-Seite, was eine positive Ladung entlang der n-Typ-Seite der Grenzfläche und eine negative Ladung entlang der p-Typ-Seite erzeugt. An der Oberfläche, an der diese Schichten aufeinandertreffen, bildet sich ein elektrisches Feld, der sogenannte p/n-Übergang. Dieses elektrische Feld resultiert aus dem Fluss von Elektronen und Löchern. Dieses Feld bewirkt, dass die Elektronen sich vom Halbleitermaterial zur negativen Oberfläche bewegen, um den Strom zu transportieren, während gleichzeitig die Löcher in die entgegengesetzte Richtung wandern, nämlich zur positiven Oberfläche, wo sie auf eintreffende Elektronen warten.
Was ist der Unterschied zwischen Photoelektrik und Photovoltaik?
Der photovoltaische Effekt, der seinem Wesen nach dem photoelektrischen Effekt ähnelt, ist das physikalische Phänomen, das für das Entstehen einer elektrischen Potentialdifferenz (Spannung) in einem Material verantwortlich ist, wenn es Licht ausgesetzt wird. Dieser Effekt in Halbleitern ermöglicht die Nutzung von Solarzellen als Stromerzeugungseinrichtungen.
Während der photoelektrische Effekt darin besteht, dass Lichtphotonen Elektronen vollständig aus einem Material herausschlagen, beinhaltet der photovoltaische Effekt, dass Photonen einer Lichtquelle Elektronen lediglich aus ihren Atomorbitalen lösen, sie jedoch im Material zurückhalten; auf diese Weise können sie ungehindert durch das Material fließen.
Einführung in Halbleiter
Abschnittsziele:
• Verständnis der Halbleiterfunktion im Kontext der Photovoltaik.
• Kenntnisse darüber, wie die Leistung von Halbleitern in der Photovoltaik optimiert werden kann.
• Erklärung, warum Silizium das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial in PV-Anwendungen ist.
Solarzellen sind schon immer eng mit anderen elektronischen Geräten verknüpft gewesen. In den kommenden Abschnitten werden grundlegende Aspekte von Halbleitermaterialien und die physikalischen Mechanismen behandelt, die im Zentrum photovoltaischer Geräte stehen. Diese physikalischen Mechanismen dienen dazu, die Funktionsweise eines pn-Übergangs zu erklären, der nicht nur die Grundlage für die große Mehrheit der Solarzellen bildet, sondern auch für die meisten anderen elektronischen Geräte wie Laser und Bipolartransistoren.
Ein Großteil der Theorie der Festkörperhalbleiter wurde während der Erfindung des Transistors in den späten 40er und frühen 50er Jahren entwickelt [1]. Obwohl PV-Halbleitermaterialien nicht auf Silizium beschränkt sind, hat die Dominanz von Silizium auf dem PV-Markt dazu geführt, dass wir uns auf dieses Material besonders konzentrieren. Sofern nicht anders angegeben, liegt der Schwerpunkt des auf dieser Website präsentierten Materials speziell auf Silizium-basierten Solarzellen.
Ein Siliziumbarren, der aus einem einzelnen großen Siliziumkristall besteht. Ein solcher Barren wird in einzelne Wafer geschnitten und dann zur Herstellung verschiedener Halbleiterbauelemente verwendet, darunter Solarzellen und Computerchips.
