Wie funktioniert eine Solarzelle?

Dr. Ingo Riedel antwortete

Eine Solarzelle wandelt die Energie der Sonnenstrahlen direkt in elektrische Energie um. Die meisten gängigen Solarzellen bestehen aus Silizium. In der Natur kommt Silizium in oxidierter Form als Sand vor. Silizium ist ein so genannter Halbleiter, der den elektrischen Strom nicht so gut leitet wie zum Beispiel Kupferdraht, aber immerhin etwas.

Die physikalische Grundlage der Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie ist der so genannte innere lichtelektrische Effekt. Ein Halbleiter absorbiert dabei so genannte Photonen, das sind die Teilchen aus denen das Licht zusammengesetzt ist.

Im Sonnenlicht kommen verschiedenfarbige Photonen vor, also mit unterschiedlicher Energie. Daher erscheint Sonnenlicht weiß. Der Halbleiter kann aber nur einen Teil der Photonen nutzen, solche die genügend Energie haben. Die weniger energiereichen Photonen treten ungenutzt durch den Halbleiter hindurch. Die absorbierte Strahlungsenergie wird im Halbleiter für kurze Zeit gespeichert, indem elektrische Ladungen (positiv und negativ) in einen energetisch höherwertigen Zustand übergehen.
Das ist ähnlich, wie Energie in einem Pumpspeicherwerk gespeichert werden kann, indem Wasser in einen Stausee hochgepumpt wird. In dem Halbleiter geschieht die Energiespeicherung dadurch, dass die sich anziehenden positiven und negativen Ladungen in entgegengesetzte Richtungen getrieben werden. Dies kann erreicht werden, indem der Halbleiter gezielt verunreinigt wird so dass Überschussladungen erzeugt werden ("Dotierung").

Durch die Dotierung (bei Silizium zum Beispiel mit Bor oder Phosphor) kann man im Halbleiter zwei benachbarte Bereiche erzeugen, die vorwiegend positive oder negative Ladungen ableiten können. Kontaktiert man die Solarzelle nun von beiden Seiten mit einem Metallkontakt, so können die ungleichnamigen Ladungen abgegriffen werden, um als elektrischer Strom einen Verbraucher anzutreiben, ähnlich wie bei einer Batterie.

Solarzellen erreichen heute auf Laborskala Effizienzen von ca. 20-24 Prozent. Somit wird 20-24Prozent der eingestrahlten Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt. Damit kann man mit einer 50cm x 50cm großen Solarzelle im günstigsten Fall eine Leistung von etwa 30W erzeugen.

BildIngo Riedel studierte Physik an der Universität Oldenburg. Anschließend promovierte er dort auf dem Gebiet der Anwendung organischer Halbleiter für Solarzellen. Nach der Promotion wechselte er nach Würzburg an das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern), wo er in enger Kooperation mit dem Lehrstuhl für Experimentalphysik VI (Prof. V. Dyakonov) der Universität Würzburg eine neue Arbeitsgruppe im Bereich der optoelektronischen Anwendungen organischer Halbleiter aufbaute und diese über drei Jahre leitete. Im November 2007 kehrte er nach Oldenburg zurück und übernahm die Leitung der neu gegründeten „EWE-Nachwuchsgruppe Dünnschichtphotovoltaik“ in der Abteilung Energie- und Halbleiterforschung (EHF) am Institut für Physik der Universität Oldenburg.

Weitere Fragen und Anmerkungen an: ingo.riedel(at)uni-oldenburg.de