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Ratgeber · Wie es funktioniert

Der photovoltaische Effekt: was im Silizium passiert

Wie aus Licht eine Spannung wird: Bandlücke, Ladungstrennung am p-n-Übergang und warum eine Siliziumzelle nie über 33 Prozent kommt.

Redaktion: René LindelaubStand 26. September 20264 Minuten LesezeitSo rechnen wir

Der photovoltaische Effekt ist der einzige Schritt der ganzen Kette, der wirklich Physik braucht. Alles danach – Verschaltung, Wechselrichter, Zähler – ist Elektrotechnik. Entdeckt hat ihn Alexandre Edmond Becquerel 1839; erklärt hat ihn Albert Einstein 1905, wofür er den Nobelpreis bekam.

Wohin die Sonnenenergie gehtAnteil der einfallenden Strahlungsenergie in Prozent: Licht unterhalb der Bandlücke 19, Thermalisierung 33, Rekombination und optische Verluste 12, elektrische Verluste 14, in Strom gewandelt 22 Prozent.19 %Licht unterhalbder Bandlücke33 %Thermalisierung12 %Rekombinationund Optik14 %elektrischeVerluste22 %in Stromgewandelt
Die beiden großen Posten sind physikalisch bedingt und nicht zu beheben: Licht mit zu wenig Energie geht durch, Licht mit zu viel Energie gibt den Überschuss als Wärme ab. Zusammen sind das über die Hälfte.

Schritt eins: Das Photon löst ein Elektron

Licht besteht aus Energiepaketen, den Photonen. Trifft eines auf ein Siliziumatom und bringt mehr Energie mit als die Bandlücke von 1,1 Elektronenvolt, kann es ein Elektron aus seiner Bindung lösen. Zurück bleibt eine Lücke, die sich wie eine positive Ladung verhält – Physiker nennen sie „Loch“. Beide, Elektron und Loch, können sich jetzt im Kristall bewegen.

Ohne weiteres Zutun würden sie sich nach kurzer Zeit wieder finden und die Energie als Wärme abgeben. Damit Strom fließt, müssen sie vorher getrennt werden – und genau das ist der Trick der Solarzelle.

Schritt zwei: Das eingebaute Feld trennt die Ladungen

Die Zelle besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Schichten. An ihrer Grenze – dem p-n-Übergang – wandern Ladungsträger von einer Seite zur anderen, bis ein elektrisches Feld entsteht, das weitere Wanderung verhindert. Dieses Feld ist immer da, auch im Dunkeln.

Entsteht nun irgendwo in der Nähe ein Elektron-Loch-Paar, zieht das Feld die beiden auseinander: das Elektron zur n-Seite, das Loch zur p-Seite. Zwischen Vorder- und Rückseitenkontakt liegt damit eine Spannung von rund 0,55 Volt. Schließt man einen Verbraucher an, fließt der Strom über ihn zurück – und leistet dabei Arbeit.

Warum 0,5 Volt und nicht mehr

Die Spannung einer Solarzelle hängt am Material, nicht an der Größe. Eine briefmarkengroße Zelle liefert dieselben rund 0,5 Volt wie eine Zelle im Format 18 × 18 Zentimeter – nur eben viel weniger Strom. Deshalb werden Zellen in Reihe geschaltet: 120 Halbzellen ergeben die 30 bis 45 Volt eines Moduls.

Warum eine Zelle nie mehr als 33 Prozent schafft

Die Bandlücke setzt eine doppelte Grenze. Photonen mit zu wenig Energie – der ganze rote und infrarote Teil des Sonnenlichts – gehen wirkungslos durch die Zelle hindurch. Photonen mit zu viel Energie lösen zwar ein Elektron, der Überschuss wird aber sofort in Wärme umgewandelt.

William Shockley und Hans-Joachim Queisser haben 1961 ausgerechnet, was unter diesen Umständen höchstens möglich ist: rund 33 Prozent für eine einzelne Zelle. Heutige Siliziumzellen liegen im Labor bei etwa 27 Prozent – erstaunlich nah an dieser Grenze. Weiter kommt man nur, indem man mehrere Zellen mit verschiedenen Bandlücken übereinanderstapelt. Solche Tandemzellen, etwa aus Perowskit auf Silizium, haben die 33 Prozent im Labor bereits überschritten.

Warum Hitze schadet

Mit steigender Temperatur nimmt die Bandlücke leicht ab und im Kristall bewegen sich die Atome stärker. Beides führt dazu, dass Elektronen und Löcher sich häufiger wiederfinden, bevor sie die Kontakte erreichen – die Spannung sinkt. Rund 0,3 Prozent Leistung je Grad über 25 Grad sind der übliche Wert, siehe Modultypen. Ein kühler, klarer Apriltag bringt deshalb oft mehr Leistung als ein heißer Julitag.

Häufige Fragen

Ist das derselbe Effekt wie bei einer Fotozelle?

Verwandt, aber nicht gleich. Der äußere photoelektrische Effekt schlägt Elektronen ganz aus dem Material heraus – das ist der, den Einstein erklärt hat. In der Solarzelle bleibt das Elektron im Material und wird nur aus seiner Bindung gelöst; man spricht vom inneren photoelektrischen Effekt.

Funktioniert das auch mit Mondlicht?

Im Prinzip ja, praktisch nein. Vollmond liefert etwa ein Vierhunderttausendstel der Sonneneinstrahlung. Die Spannung baut sich auf, der Strom ist aber so klein, dass der Wechselrichter gar nicht erst anläuft.

Warum sind Solarzellen blau oder schwarz?

Wegen der Antireflexschicht. Blankes Silizium reflektiert rund ein Drittel des Lichts; eine dünne Beschichtung aus Siliziumnitrid senkt das auf wenige Prozent und färbt die Zelle dabei dunkelblau. Bei zusätzlicher Texturierung der Oberfläche wirkt sie fast schwarz.

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Quellen

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