Die Solarzelle

Bei der LED fällt ein Elektron herunter und ein Photon fliegt weg. Bei der Solarzelle kommt ein Photon an — und hebt ein Elektron nach oben.

• LED:Ein Elektron rekombiniert mit einem Loch, fällt auf ein niedrigeres Energieniveau und gibt die Energiedifferenz als Photon ab.
• Solarzelle:Ein Photon überträgt seine Energie auf ein gebundenes Elektron — das reißt sich los und ist frei beweglich.
• Gleicher Kern:Beide Bauteile sind ein pn-Übergang mit Sperrschicht; verschieden ist nur die Richtung, in die die Energie fließt.
• Deshalb erzeugt sogar eine gewöhnliche LED im Licht eine winzige Spannung.

Eine Solarzelle ist gebaut wie eine Diode mit riesiger Fläche — damit möglichst viel Licht die Sperrschicht erreicht.

Von der Seite betrachtet ist eine Siliziumzelle ein Stapel aus wenigen Schichten.

• Antireflexschicht:Ganz oben; sie verhindert, dass Silizium etwa ein Drittel des Lichts zurückwirft, und gibt der Zelle ihre blauschwarze Farbe.
• Kontaktfinger:Feines Metallgitter auf der Vorderseite — dünn, damit es wenig Licht verdeckt, und dicht genug für kurze Wege der Elektronen.
• n-Schicht:Nur wenige Tausendstel Millimeter dick, damit das Licht bis zur Sperrschicht durchkommt.
• Sperrschicht:Die Mitte der Zelle — hier passiert das Entscheidende.
• p-Schicht und Rückkontakt:Die dicke p-Schicht trägt die Zelle, der ganzflächige Metallkontakt darunter muss kein Licht durchlassen.

Funktion: Paar erzeugen, Paar trennen

In der Sperrschicht entsteht aus Licht ein Ladungsträgerpaar — und ein Feld, das schon vorher da ist, trennt es sofort.

• Paar erzeugen:Ein Photon mit ausreichender Energie löst ein Elektron aus seiner Bindung; zurück bleibt eine Lücke — es entsteht immer ein Elektron-Loch-Paar.
• Eingebautes Feld:In der Sperrschicht herrscht von selbst ein elektrisches Feld, weil an der Grenze von p- und n-Gebiet Ladungen zurückgeblieben sind.
• Paar trennen:Das Feld schiebt die beiden neuen Ladungsträger sofort in entgegengesetzte Richtungen, bevor sie rekombinieren können.
• Arbeit leisten:Über einen Verbraucher fließen die Elektronen außen zurück zur p-Seite und treiben dort Motor, Akku oder Lampe an.

Kenngrößen einer Siliziumzelle

• Spannung:Hängt allein am Material — eine riesige Zelle liefert nicht mehr Volt als eine briefmarkengroße.
• Stromstärke:Wächst mit der Fläche; große Zellen liefern mehr Ampere.
• Reihenschaltung:Wer höhere Spannungen braucht, schaltet viele Zellen hintereinander — deshalb besteht jedes Modul aus einem Raster gleich großer Einzelzellen.

Bestrahlungsstärke und Ausrichtung

Wie viel eine Anlage liefert, hängt an Bestrahlungsstärke und Ausrichtung.

• Bestrahlungsstärke:Klarer Sommermittag etwa 1000 Watt pro Quadratmeter, trüber Novembertag nur rund 100.
• Wirkung:Die Stromstärke fällt ungefähr im gleichen Verhältnis mit, die Spannung bleibt dagegen erstaunlich stabil.
• Ausrichtung:Schräg einfallende Strahlen verteilen sich auf mehr Fläche — auf der Nordhalbkugel zeigen Anlagen nach Süden und stehen etwa 30 bis 35 Grad geneigt.
• Verschattung:Schon der Schatten eines einzigen Kaminaufsatzes kostet spürbar Leistung.

Du blickst von der Seite in eine Solarzelle hinein. In der Sperrschicht erzeugt jedes ankommende Photon ein Elektron-Loch-Paar, das eingebaute Feld trennt die beiden sofort. Mehrere Zellen in Reihe erhöhen die Spannung des Moduls — achte darauf, welche Größe dabei wächst und welche nicht.

Zwei Beobachtungen lohnen sich besonders. Erstens: Nimmst du das Licht weg, bleibt zwar das Feld in der Sperrschicht bestehen, aber es entstehen keine Paare mehr — ohne Photonen kein Strom. Zweitens: Schaltest du Zellen in Reihe, wächst die Spannung Zelle für Zelle, die Stromstärke bleibt gleich. Genau so entsteht aus 0,5-Volt-Zellen ein Modul mit brauchbarer Spannung.

Drei Punkte, die bei der Solarzelle regelmäßig durcheinandergehen.