Bevor aus der auftreffenden Sonnenenergie elektrischer Strom werden kann, der die Haushaltsgeräte antreibt oder in das öffentliche Netz eingespeist wird, sind komplexe physikalische Vorgänge notwendig. Diese können jedoch nur mit dem richtigen Aufbau und der Verwendung entsprechender Materialien gelingen. Sogenannte Halbleiter nehmen in der Photovoltaik eine zentrale Rolle ein.
Was genau sind Halbleiter?
Bei den sogenannten Halbleitern handelt es sich im Grunde nur um Stoffe, die sich durch besondere Eigenschaften auszeichnen. Denn diese müssen sowohl als Leiter als auch als Nichtleiter fungieren. Somit arbeiten die Halbleiter unter bestimmten Bedingungen so, dass der Strom geleitet wird oder wirken als Isolator. Um die Funktionsweise der Halbleiter besser zu verstehen, gibt es zwei verschiedene Erklärungen.
So beschreibt das Bändermodell unter anderem ein Heben von Elektronen zwischen einem sogenannten Valenzband und einem Leitungsband, welche auf den jeweiligen Halbleiter zutreffen. Dies gelingt allerdings nur bei einer entsprechenden Raumtemperatur und nicht generell, das Heben funktioniert also bei Kälte beispielsweise nicht. Alternativ gibt es das Teilchenmodell.
Dieses beschreibt, dass bei sehr tiefen Temperaturen keine freien beweglichen Ladungsträger im Halbleiter vorhanden sind, während die Elektronen bei höheren Temperaturen frei werden und dann als Ladungsträger arbeiten können.
Welche Rolle übernehmen die Halbleiter in der Solarzelle?
Generell lässt sich sagen, dass nur mit der Verwendung der Halbleiter Solarzellen überhaupt funktionieren können. Der sogenannte Photoeffekt, der in den Halbleitern stattfindet, gilt als Basis für das Erzeugen elektrischer Energie in den Modulen. Zudem kommen in den Halbleitern fremde Elemente aus dem chemischen Bereich zum Einsatz.
Diese dienen dazu, die Leitfähigkeit in dem gewünschten Ausmaß zu beeinflussen. Mithilfe des speziellen Verfahrens können Ingenieure zwei unterschiedlich dotierte Schichten im Inneren der Solarzelle verwenden, um ein elektrisches Feld zu generieren. Diese Felder dienen dann letzten Endes dem sicheren Transport der freien Ladungsträger, die durch das Sonnenlicht erzeugt werden.
Dieser Vorgang des Transports an die metallischen Kontakte der Zellen trägt die Bezeichnung “Raumladungszone”. An diesem Punkt steht dann die elektrische Spannung zur freien Verfügung, die mit einem Verbraucher oder einer Weiterleitung zur individuellen Nutzung geeignet ist.
Wie wichtig ist die Leitfähigkeit der Halbleiter?
Das Ziel ist eine möglichst gute Leitfähigkeit der Halbleiter. Diese dient auch der Steigerung der Effizienz und der Erträge, sorgt also letzten Endes für eine hohe Wirtschaftlichkeit. Mithilfe einer absichtlichen Kontaminierung erreichen die Halbleiter eine verbesserte Leitfähigkeit. Das Prinzip hierbei ist einfach, denn in einem speziellen Vorgang werden geringe Atome des Leiters an sich durch Fremdatome getauscht.
Welche Materialien werden als Halbleiter genutzt?
Prinzipiell stehen auf dem Markt verschiedene Materialien zur Verfügung, die als Halbleiter in Solarmodulen verwendet werden können. Zu den bekanntesten Varianten gehören die Materialien Germanium oder Silicium. Zu den weiteren Möglichkeiten gehören auch Zinkselenid, Cadmiumsulfid oder Galliumarsenid.
Zwar weisen auch diese Materialien die Eigenschaften der Halbleiter auf und sind somit für die Produktion von Solarmodulen geeignet, tatsächlich kommen diese aber deutlich seltener zum Einsatz. Am meisten kommt der Halbleiter Silicium zum Einsatz, wenn es um kristalline Solarzellen geht. Bei Dünnschicht-Solarzellen sieht die Lage etwas anders aus, hier kommen immer öfter auch alternative Materialien als Halbleiter zum Einsatz.
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