Photovoltaik – Strom aus Sand - Erneuerbare Energien und Klimaschutz - page 111

Mitte der 1950er-Jahre begann das Zeitalter der Halbleitertechnik. Das in der Natur häufig
vorkommende Halbleitermaterial (vgl. Info S. 124) Silizium wurde zum neuen Modema-
terial und im Jahr 1954 erblickte schließlich die erste Silizium-Solarzelle aus den amerika-
nischen Bell Laboratories das Sonnenlicht. Dies war die Basis für die erfolgreiche und
kommerzielle Weiterentwicklung der Photovoltaik.

5.1 Aufbau und Funktionsweise

5.1.1 Elektronen, Löcher und Raumladungszonen

Die Funktionsweise einer Solarzelle ist relativ kompliziert, muss man doch für deren
Verständnis in extreme Tiefen der Physik eintauchen. Ein kleines übertragenes Modell, das
in Abbildung 5.1 dargestellt ist, soll hier helfen, das Prinzip der Solarzelle zu verstehen.
Man stelle sich hierzu zwei waagerechte Ebenen vor. Die zweite Ebene liegt ein wenig hö-
her als die erste. In der ersten Ebene befindet sich eine Vielzahl von Kuhlen, also kleinen
Löchern, die randvoll mit Wasser gefüllt sind. Das Wasser kann sich hier nicht von selbst
bewegen. Nun beginnt jemand, kleine Gummibälle auf die erste Ebene zu werfen. Trifft
ein Ball in eine Kuhle, spritzt das Wasser nach oben und gelangt so auf die zweite Ebene.
Hier befinden sich keine Kuhlen, die das Wasser aufhalten. Die zweite Ebene ist nun
geneigt, sodass das Wasser abfließt und von selbst in eine Abflussrinne gelangt. Diese ist
über ein Rohr mit der unteren Ebene verbunden, wobei das Wasser beim Durchfließen ein
kleines Wasserrad mit einem Dynamo antreibt. Ist das Wasser an der unteren Ebene
angelangt, füllt es wieder die Kuhlen auf. Mit neuen Gummibällen kann der Kreislauf nun
von vorne beginnen.

Abbildung 5.1 Modell zur Veranschaulichung der Vorgänge in einer Solarzelle

Mit einer Solarzelle hingegen wollen wir keinen Wasserkreislauf erzeugen, sondern elek-
trischen Strom zum Betrieb von Elektrogeräten generieren. Ein elektrischer Strom entsteht
aus einem Fluss von negativen Ladungsträgern, den so genannten Elektronen. Diese ent-
sprechen dem Wasser unseres einfachen Modells. Für die Solarzelle wird also ein Material
benötigt, in dem sich zwei Ebenen befinden: eine Ebene, in der Elektronen wie das Wasser
in den Kuhlen fest gebunden sind, und eine zweite Ebene, in der sich Elektronen frei be-