Eine Solarzelle sieht erst einmal wie ein Stück Magie aus. Es kommt Licht drauf und Strom kommt raus. Die Versprechungen für neue Solarzellen grenzen auch an Magie und viele gehen noch darüber hinaus. Aber schauen wir uns erst einmal an, wie sie ganz ohne Magie funktionieren.
Damit zwischen den Drähten die aus einer Solarzelle hängen Strom fließen kann, muss dazwischen eine Spannung herrschen. Diese Spannung erhält man nur durch eine Ladungstrennung. Positive Ladungen sollten bevozugt an dem einen Draht zu finden sein, negative an dem anderen. Sobald ein elektrischer Kontakt hergestellt ist, können sich die Elektronen durch die Leiter zur anderen Seite bewegen.
Wie trennt man die Ladungen? Mit Licht! Wenn ein Photon auf ein Atom trifft, dann interagiert es mit den Elektronen in der Schale des Atoms. Wenn das Photon genug Energie hat, kann es die äußereren Elektronen aus der Schale lösen. Etwas anders sieht das aus, wenn das Atom nicht allein ist, sondern in einem Material mit vielen anderen Atomen – wie in einer Solarzelle. Es geht nicht darum, dass das Elektron völlig frei herum fliegt. Es reicht, wenn es sich in dem Material bewegen kann und dabei schön getrennt bleibt von dem Atom, von dem ursprünglich kam.
Ein normales Metall wäre hier die falsche Wahl. Dort können sich ohnehin jede Menge Elektronen frei bewegen und man hätte keine Chance, die beiden Ladungen getrennt zu halten. Ein Isolator wäre aber auch schlecht, denn irgendwie müssen sich die Elektronen dann doch bewegen. Man braucht einen Isolator, der nah dran ist ein Metall zu sein, aber keins ist. Einen Halbleiter.
Wenn man den Elektronen in einem Halbleiter ein ausreichend großen Tritt verpasst, dann können sie sich in dem Material frei bewegen. Genau was wir wollen. Aber die Quantenphysik hat die Elektronen zu ziemlich wählerischen Genossen gemacht.
Die Energiemenge die man braucht, nennt man auch die Bandlücke. Wie groß genau die Bandlücke ist, hängt vom Material ab. Isolatoren haben einfach nur eine zu große Bandlücke, als dass man damit etwas anfangen könnte. Quarz, also Siliziumdioxid, hat eine Bandlücke von 9 eV.
Die Energie der Bandlücke entspricht auch der elektrischen Energie, die man durch jedes Elektron gewinnen kann. Um so größer die Bandlücke ist, um so größer ist die Energie. Aber 9eV entsprechen einer Energie im fernen Ultraviolett. Alles Licht das weniger Energie hat, geht einfach durch, also auch alles sichtbare und infrarote Licht. Deswegen ist Quarz auch für dieses Licht durchsichtig.
Eins ist klar: Aus Licht das zu wenig Energie hat und durch das Material durch geht, kann man keinen Strom gewinnen. Nur Licht das mehr Energie hat, wird von den Elektronen absorbiert. Die zusätzliche Energie, die über die Bandlücke hinaus geht, geht dann aber durch Kollisionen verloren und heizt nur das Material auf – bis die Elektronen abgebremst sind und sich langsam im Halbleitermaterial bewegen, wie alle anderen freien Elektronen.
Im sichtbaren Licht spielt sich alles unter 3eV (~400nm) und über 1,5eV (~800nm) ab. Wobei uns das nicht stören braucht. Denn es ist egal ob wir das Licht sehen können, hauptsache es kommt Strom heraus. Viel mehr sollte uns stören, dass von der Sonne kaum Licht mit mehr als 3eV kommt, aber unter 1,5eV kommt noch einiges an infrarotem Licht.
Die Energieausbeute ist damit also immer ein Kompromiss. Mit großer Bandlücke kann nur sehr energiereiches Licht zur Stromgewinnung beitragen. Mit kleiner Bandlücke kann auch Licht mit weniger Energie dazu beitragen, aber von dem Licht mit viel Energie geht entsprechend auch viel verloren. Das theoretische Maximum für diesen Kompromiss nennt man das Shockley-Queisser-Limit, es liegt bei 33,7% bei einer Bandlücke von 1,34eV. (Die teuren Monokristallinen Siliziumzellen erreichen derzeit Werte in der Größenordnung von 24%.)
Dieses Limit existiert aber nur, weil Sonnenlicht eine Mischung verschiedener Wellenlängen mit unterschiedlicher Energie ist. Mit Licht aus nur einer Wellenlänge kann man durch passende Wahl der Bandlücke eine praktisch beliebig effiziente Umwandlung erreichen – aber eben nur unter solchen Laborbedingungen. Dabei kommt man regelmäßig auf Werte über 90%, was dann genauso regelmäßig zu mehr oder weniger absichtlich missverständlich formulierten Pressemeldungen und sensationellen Überschriften führt.
Das Ende der Fahnenstange hat man mit den 33,7% aber noch nicht erreicht. Denn wie wir oben schon gesehen haben, kann man Licht mit zu wenig Energie einfach durch die Zelle hindurch lassen. Die obere Schicht kann mit einer größeren Bandlücke das energiereiche Licht effektiver ausnutzen. Das durchgelassene Licht kommt dann auf eine Schicht mit kleinerer Bandlücke und kann noch voll genutzt werden. Die obere Schicht ist dafür verantwortlich, dass die Effizienz steigt.
Wobei man hier unter “einfach” besser ein “möglich, aber überhaupt nicht billig” verstehen sollte. Das durchgelassene Licht darf nicht den Stromleitern der unteren Schicht zum Opfer fallen, womit man noch eine Schicht transparenter Leiter hat. Dazu kommt, dass man nicht mehr frei in der Substratwahl ist und so weiter. Die ganze Produktion wird damit viel diffiziler als bei einer Solarzelle mit nur einer Schicht. In der Raumfahrt, wo Kosten praktisch keine Rolle spielen, ist das Verfahren trotzdem verbreitet.
Das soll für diesen Post genügen. Wie genau man so eine Solarzelle aufbaut, wie dort Strom entsteht, wo es Verluste gibt, wie man mit welchen Stoffen welche Bandlücken erzeugen kann und so weiter, kommt dann in weiteren Postings.
Letzte Kommentare