Halbleiter in der Photovoltaik

Als Halbleiter werden Stoffe bezeichnet, die sowohl Leiter als auch Nichtleiter sein können. Mit anderen Worten: Halbleiter können unter bestimmten Voraussetzungen Strom leiten oder eben wie ein Isolator wirken.

Die Halbleitereigenschaft lässt sich physikalisch über zwei Modelle erklären. Nach dem Bändermodell können bei Halbleitern bei entsprechender Raumtemperatur Elektronen zwischen Valenzband und Leitungsband gehoben werden.

Bei sehr tiefen Temperaturen ist dies nicht möglich. Nach dem Teilchenmodell gibt es bei sehr tiefen Temperaturen im Halbleiter keine freien beweglichen Ladungsträger, während schon bei Raumtemperatur Elektronen frei werden und als Ladungsträger fungieren können.

Bekannte Halbleitermaterialien sind zum Beispiel Germanium oder Silicium. Auch Galliumarsenid, Cadmiumsulfid oder Zinkselenid sind Verbindungen, die Halbleitereigenschaften haben.

Die Halbleitereigenschaft von Silicium oder auch der Verbindung Galliumarsenid ist entscheidend für ihre Nutzung in der Photovoltaik. Dazu wird aber durch eine gezielte „Verunreinigung“ der Halbleiter eine erhöhte Leitfähigkeit erreicht. Diesen Vorgang bezeichnet man als Dotierung.

Bei diesem Vorgang werden wenige Atome des Halbleiters durch ein Fremdatom ersetzt. Je nachdem, welche Fremdatome genutzt werden, wird der Halbleiter p-leitend (bei 3-wertigen Fremdatomen) oder n-leitend (bei 5-wertigen Fremdatomen).

Kombiniert man p- und n-leitende Halbleiter, entsteht am sogenannten p-n-Übergang eine Grenzschicht. Ein solches Bauteil nennt man Diode. Dort „wandern“ Elektronen von der n-Schicht zur p-Schicht, damit entsteht hier eine Spannung. Der photoelektrische Effekt beschreibt nun, dass die Leitfähigkeit am p-n-Übergang noch zunimmt, wenn auf diesen Licht trifft, da sich noch mehr Elektronen-Loch-Paare bilden. Hier spricht man von Photodioden.

Solarzellen sind im Prinzip große Photodioden. Da eine einzelne Solarzelle nur sehr wenig Leistung erbringt, werden sie zu Photovoltaik Modulen zusammengeschaltet. Der meist genutzte Halbleiter für kristalline Solarzellen ist Silicium. In Dünnschicht-Solarzellen werden auch andere Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid, Cadmiumsulfid oder auch Zinkselenid genutzt.