Elektronen-Loch-Paar

 

Elektronen-Loch-Paar

 
 

Der Kern der PV-Physik – nachvollziehbar erklärt

Ein Elektronen-Loch-Paar bezeichnet zwei verschieden geladene Teilchen, die in einer Solarzelle vom Sonnenlicht getrennt wurden werden. Diese beiden, stets paarweise auftretenden Energieträger sind frei beweglich – wird ihre Bewegung gerichtet, spricht man von Strom.
Ingenieure nutzen Elektronen und “Löcher" in der Photovoltaik, um aus Licht direkt den elektrischen Strom zu erzeugen.

Dabei gilt:

  • Je mehr dieser Teilchen in der Solarzelle vom Sonnenlicht geschaffen werden,

div>

  • desto effizienter arbeitet die Zelle.

Wie das Elektronen-Loch-Paar entsteht

Halbleiter – das Grundmaterial von Solarzellen – zeichnen sich dadurch aus, dass sie elektrischen Strom nicht immer gleich gut leiten. Nahe des absoluten Nullpunkts zum Beispiel, 0 Kelvin oder -273,15 °C, fließt Strom in Halb­leitern nicht, weil die Elektronen der äußersten Atomscha­le – die sogenannten Valenzelek­tronen – fest im molekularen Kristallgitter gebun­den sind.
Leitfähig werden Halbleiter erst, wenn sich Elektronen aus den festen Bindungen lösen – ein Vorgang, für den Energie notwendig ist. Sie werden dem Halbleiter so zugeführt:

  • entweder durch Wärme
  • oder durch elektromagnetische Strahlung.



In der Photovoltaik nutzt man dazu das Licht der Sonne. Das setzt sich aus unsichtbaren Energieportionen, den Lichtquanten bzw. Photonen, zusammen, die je nach ihrer Schwingung (Wellenlänge) unterschiedlich viel Energie enthalten.
Jene Photonen, die genügend Energie mitbringen, werden im Halbleitermaterial der Solarzelle von Elektronen verschluckt oder absorbiert. Die Lichtteilchen schlagen mit ihrer Energie dabei die Elektronen aus ihren Bindungen heraus, die dann als frei bewegliche Teilchen in der Zelle verfügbar sind.

Elektronen werden aus dem Kristallgitter gelöst

Lichtteilchen schlagen mit ihrer Energie Elektronen aus dem Kristallgitter eines Halbleiters
Zum Vergrößern bitte anklicken – © 2012 nau / photovoltaiksolarstrom.com

Physiker bezeichnen diesen Prozess als inneren Photoeffekt (im Detail siehe Grafik rechts).

Experten erläutern diesen Vorgang auch gerne an einem speziellen physikalischen Modell, dem Bänder­modell. In ihm stellt sich der innere Photoeffekt als ein Sprung eines Elektrons von einem niederen in einen höherwer­tigen Energiezu­stand dar. Die ver­schie­denen Zustände werden dabei von zwei Bändern, dem Valenz- und dem Leitungsband repräsen­tiert.
Der Satz auf die höhere Ebene ge­lingt, wenn das Lichtteilchen genü­gend Energie mitbringt, damit das Elektron den Energieabstand zwischen den beiden Bändern – die sogenannte Bandlücke – überwinden kann (vgl. dazu die Abbildung).
Bei einem gelungenen Sprung bleibt am Ende das Elektron im oberen Band, dem Leitungsband, wo es frei beweglich ist. Im unteren Band, dem Valenzband, lässt es an der Stelle, an der es herausgelöst wurde, ein positv geladenes Loch zurück – ein Elektronen-Loch-Paar ist entstanden.

Der Kern der PV-Physik – nachvollziehbar erklärt

Ein Elektronen-Loch-Paar bezeichnet zwei verschieden geladene Teilchen, die in einer Solarzelle vom Sonnenlicht getrennt wurden werden. Diese beiden, stets paarweise auftretenden Energieträger sind frei beweglich – wird ihre Bewegung gerichtet, spricht man von Strom.
Ingenieure nutzen Elektronen und “Löcher" in der Photovoltaik, um aus Licht direkt den elektrischen Strom zu erzeugen.

Dabei gilt:

  • Je mehr dieser Teilchen in der Solarzelle vom Sonnenlicht geschaffen werden,

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  • desto effizienter arbeitet die Zelle.

Wie das Elektronen-Loch-Paar entsteht

Halbleiter – das Grundmaterial von Solarzellen – zeichnen sich dadurch aus, dass sie elektrischen Strom nicht immer gleich gut leiten. Nahe des absoluten Nullpunkts zum Beispiel, 0 Kelvin oder -273,15 °C, fließt Strom in Halb­leitern nicht, weil die Elektronen der äußersten Atomscha­le – die sogenannten Valenzelek­tronen – fest im molekularen Kristallgitter gebun­den sind.
Leitfähig werden Halbleiter erst, wenn sich Elektronen aus den festen Bindungen lösen – ein Vorgang, für den Energie notwendig ist. Sie werden dem Halbleiter so zugeführt:

  • entweder durch Wärme
  • oder durch elektromagnetische Strahlung.



In der Photovoltaik nutzt man dazu das Licht der Sonne. Das setzt sich aus unsichtbaren Energieportionen, den Lichtquanten bzw. Photonen, zusammen, die je nach ihrer Schwingung (Wellenlänge) unterschiedlich viel Energie enthalten.
Jene Photonen, die genügend Energie mitbringen, werden im Halbleitermaterial der Solarzelle von Elektronen verschluckt oder absorbiert. Die Lichtteilchen schlagen mit ihrer Energie dabei die Elektronen aus ihren Bindungen heraus, die dann als frei bewegliche Teilchen in der Zelle verfügbar sind.

Elektronen werden aus dem Kristallgitter gelöst

Lichtteilchen schlagen mit ihrer Energie Elektronen aus dem Kristallgitter eines Halbleiters
Zum Vergrößern bitte anklicken – © 2012 nau / photovoltaiksolarstrom.com

Physiker bezeichnen diesen Prozess als inneren Photoeffekt (im Detail siehe Grafik rechts).

Experten erläutern diesen Vorgang auch gerne an einem speziellen physikalischen Modell, dem Bänder­modell. In ihm stellt sich der innere Photoeffekt als ein Sprung eines Elektrons von einem niederen in einen höherwer­tigen Energiezu­stand dar. Die ver­schie­denen Zustände werden dabei von zwei Bändern, dem Valenz- und dem Leitungsband repräsen­tiert.
Der Satz auf die höhere Ebene ge­lingt, wenn das Lichtteilchen genü­gend Energie mitbringt, damit das Elektron den Energieabstand zwischen den beiden Bändern – die sogenannte Bandlücke – überwinden kann (vgl. dazu die Abbildung).
Bei einem gelungenen Sprung bleibt am Ende das Elektron im oberen Band, dem Leitungsband, wo es frei beweglich ist. Im unteren Band, dem Valenzband, lässt es an der Stelle, an der es herausgelöst wurde, ein positv geladenes Loch zurück – ein Elektronen-Loch-Paar ist entstanden.

Der Kern der PV-Physik – nachvollziehbar erklärt

Ein Elektronen-Loch-Paar bezeichnet zwei verschieden geladene Teilchen, die in einer Solarzelle vom Sonnenlicht getrennt wurden werden. Diese beiden, stets paarweise auftretenden Energieträger sind frei beweglich – wird ihre Bewegung gerichtet, spricht man von Strom.
Ingenieure nutzen Elektronen und “Löcher" in der Photovoltaik, um aus Licht direkt den elektrischen Strom zu erzeugen.

Dabei gilt:

  • Je mehr dieser Teilchen in der Solarzelle vom Sonnenlicht geschaffen werden,

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  • desto effizienter arbeitet die Zelle.

Wie das Elektronen-Loch-Paar entsteht

Halbleiter – das Grundmaterial von Solarzellen – zeichnen sich dadurch aus, dass sie elektrischen Strom nicht immer gleich gut leiten. Nahe des absoluten Nullpunkts zum Beispiel, 0 Kelvin oder -273,15 °C, fließt Strom in Halb­leitern nicht, weil die Elektronen der äußersten Atomscha­le – die sogenannten Valenzelek­tronen – fest im molekularen Kristallgitter gebun­den sind.
Leitfähig werden Halbleiter erst, wenn sich Elektronen aus den festen Bindungen lösen – ein Vorgang, für den Energie notwendig ist. Sie werden dem Halbleiter so zugeführt:

  • entweder durch Wärme
  • oder durch elektromagnetische Strahlung.



In der Photovoltaik nutzt man dazu das Licht der Sonne. Das setzt sich aus unsichtbaren Energieportionen, den Lichtquanten bzw. Photonen, zusammen, die je nach ihrer Schwingung (Wellenlänge) unterschiedlich viel Energie enthalten.
Jene Photonen, die genügend Energie mitbringen, werden im Halbleitermaterial der Solarzelle von Elektronen verschluckt oder absorbiert. Die Lichtteilchen schlagen mit ihrer Energie dabei die Elektronen aus ihren Bindungen heraus, die dann als frei bewegliche Teilchen in der Zelle verfügbar sind.

Elektronen werden aus dem Kristallgitter gelöst

Lichtteilchen schlagen mit ihrer Energie Elektronen aus dem Kristallgitter eines Halbleiters
Zum Vergrößern bitte anklicken – © 2012 nau / photovoltaiksolarstrom.com

Physiker bezeichnen diesen Prozess als inneren Photoeffekt (im Detail siehe Grafik rechts).

Experten erläutern diesen Vorgang auch gerne an einem speziellen physikalischen Modell, dem Bänder­modell. In ihm stellt sich der innere Photoeffekt als ein Sprung eines Elektrons von einem niederen in einen höherwer­tigen Energiezu­stand dar. Die ver­schie­denen Zustände werden dabei von zwei Bändern, dem Valenz- und dem Leitungsband repräsen­tiert.
Der Satz auf die höhere Ebene ge­lingt, wenn das Lichtteilchen genü­gend Energie mitbringt, damit das Elektron den Energieabstand zwischen den beiden Bändern – die sogenannte Bandlücke – überwinden kann (vgl. dazu die Abbildung).
Bei einem gelungenen Sprung bleibt am Ende das Elektron im oberen Band, dem Leitungsband, wo es frei beweglich ist. Im unteren Band, dem Valenzband, lässt es an der Stelle, an der es herausgelöst wurde, ein positv geladenes Loch zurück – ein Elektronen-Loch-Paar ist entstanden.

 

Elektronen-Loch-Paare in Solarzellen

Damit in der Solarzelle Strom erzeugt werden kann, reicht es jedoch nicht aus, dass das Licht Elektronen-Loch-Paare erzeugt. Die geladenen Teilchen haben nämlich die Angewohnheit, sich rasch wieder zu binden – oder anders gesagt: das Elektron will zurück in ein Loch. Dieser Vorgang, fachsprachlich die Rekombination, ist in der Solarzelle aber nicht erwünscht. Denn Teilchen, die wieder in einer festen Bindung sind, tragen nicht zum Solarstrom bei.
Solarzellen benötigen deshalb eine Schicht, welche die Rekombination der Elekronen und Löcher möglichst verhindert. Diese Schicht ist die Raumladungszone, in der sich ein elektrisches Feld aufbaut, dass die Teilchen der Elektronen-Loch-Paare voneinander trennt – und entsprechend ihrer Ladungen verteilt.
Doch wie wird aus den getrennten Teilchen dann Solarstrom – und können alle Elektronen-Loch-Paare zur Solarstromerzeugung genutzt werden?

Entscheidend ist der Enstehungsort der Elektronen-Loch-Paare. Bei den in kleinen- und mittelgroßen Aufdachanlagen dominierenden kristallinen Solarzellen unterscheiden Fachleute die Absorption des Sonnenlichts:

  • A) im n-dotierten Silizium (+-Emitter),
  • B) in der Raumladungszone,
  • C) innerhalb
  • D) und außerhalb der Diffusionslänge der p-dotierten Schicht (p-Basis).
Solarstromerzeugung durch Elektronen-Loch-Paar

Was mit Elektronen-Loch-Paaren in der Solarzelle genau geschieht
© 2012 nau, nach Mertens (2011)
Zum Vergrößern bitte anklicken

A: Ein Elektronen-Loch-Paar, das in der dünnen, nur rund 0,1 Tausendstel Millimeter (Mikrometer) dicken n-dotierten Schicht, entsteht, leistet aller Wahrscheinlichkeit nach keinen Beitrag zum Solarstrom. Das liegt daran, dass der hoch dotierte n+-Emitter nur eine sehr geringe Diffu­sionslänge hat, d.h. ein Elektron kann in dieser Schicht nur eine kurze Wegstrecke zurücklegen, bevor es rekombiniert. Die Chance, dass es das Elektronen-Loch-Paar in die Raum­ladungszone schafft, sind demnach verschwind­end gering.

B: Erzeugen Photon hingegen Elektronen-Loch-Paare direkt in der Raumladungszone, wer­den sie durch das elektrische Feld umge­hend getrennt. Die jeweiligen Ladungsträger müssen bis zu den Solarzellenkontakten zwar einen langen Weg zurücklegen, da sie in der zugehörigen Halbleiter­schicht aber sogenannte Majoritätsladungsträger sind, ist die Wahrscheinlichkeit für eine Rekom­bination sehr gering. Fast alle entstandenen Elektronen-Loch-Paare tragen somit zum Photostrom bei.

C: Auch die Elektronen-Loch-Paare, die innerhalb der Diffusionslänge der p-Basis generiert werden, haben eine gute Chance, zur Solarstromerzeugung beizutragen. Das Elektron diffundiert in diesem Fall zwar relativ ziellos im Halbleiter umher, es schafft es aber wahrscheinlich bis an den Rand der Raumladungszone, wo es vom elektrischen Feld dann in die n-dotierte Schicht und von dort zu den Vorderseitenkontakten befördert wird.

D: Entsteht das Elektronen-Loch-Paar schließlich noch tiefer in der Solarzelle, kann es nicht mehr zum Photostrom beitragen. Es rekombiniert, noch bevor es zur Raumladungszone gelangen kann, mit einem “Loch". Die Energie des Photons bleibt ungenutzt bzw. hat nur dazu beigetragen, dass die Solarzelle durch den Umwandlungsprozess ein wenig erwärmt wurde.

Einfluss des Elektronen-Loch-Paars auf den Solarzellen-Wirkungsgrad

Ideal für die Solarstromausbeute einer Solarzelle wäre es, wenn alle in die Zelle eindringenden Photonen ein Elektronen-Loch-Paar hervorbringen würden; und jedes dieser Paare auch in die Raumladungszone gelangen könnte. Aus verschiedenen physikalischen Gründen ist dies aber nicht möglich:
Zum einen kann in Solarzellen nicht das gesamte Spektrum der Solarstrahlung absorbiert werden: Nicht jedes Lichtteilchen hat genügend Energie, um ein Elektron aus der Elektronenpaarbindung zu lösen.

Diese ungenutzt durch die Solarzelle durchstrahlenden Lichtquanten haben die Transmissionsverluste zur Folge.
Andererseits ist die Energie von Photonen manchmal höher, als zur Erzeugen eines Elektronen-Loch-Paars nötig wäre. Diese überschüssige Energie erwärmt die Solarzelle und führt so zu Thermalisierungsverlusten.
Zusammen ergeben die Transmissions- und Thermalisierungsverluste die spektralen Verluste (spektraler Wirkungsgrad):

  • Bei einer Einstrahlungsstärke von 1.000 W/m² betragen sie in einer idealen Wafersolarzelle 51%, d.h. es werden maximal 49% der einfallenden Solarstrahlung genutzt.

Zum anderen wird, wie im vorigen Abschnitt dargestellt, nur ein Teil der erzeugten Elektronen-Loch-Paare in Solarstrom umgewandelt. Für einen möglichst hohen Umwandlungsgrad entscheidend ist eine große Diffusionslänge: Sie ist umso größer, je besser die Qualität des Halbleiterkristalls ist.
Silizium hat je nach Materialqualität bspw. eine Diffusionslänge zwischen 50 und 500 μm.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Elektronen-Loch-Paare in Solarzellen

Damit in der Solarzelle Strom erzeugt werden kann, reicht es jedoch nicht aus, dass das Licht Elektronen-Loch-Paare erzeugt. Die geladenen Teilchen haben nämlich die Angewohnheit, sich rasch wieder zu binden – oder anders gesagt: das Elektron will zurück in ein Loch. Dieser Vorgang, fachsprachlich die Rekombination, ist in der Solarzelle aber nicht erwünscht. Denn Teilchen, die wieder in einer festen Bindung sind, tragen nicht zum Solarstrom bei.
Solarzellen benötigen deshalb eine Schicht, welche die Rekombination der Elekronen und Löcher möglichst verhindert. Diese Schicht ist die Raumladungszone, in der sich ein elektrisches Feld aufbaut, dass die Teilchen der Elektronen-Loch-Paare voneinander trennt – und entsprechend ihrer Ladungen verteilt.
Doch wie wird aus den getrennten Teilchen dann Solarstrom – und können alle Elektronen-Loch-Paare zur Solarstromerzeugung genutzt werden?

Entscheidend ist der Enstehungsort der Elektronen-Loch-Paare. Bei den in kleinen- und mittelgroßen Aufdachanlagen dominierenden kristallinen Solarzellen unterscheiden Fachleute die Absorption des Sonnenlichts:

  • A) im n-dotierten Silizium (+-Emitter),
  • B) in der Raumladungszone,
  • C) innerhalb
  • D) und außerhalb der Diffusionslänge der p-dotierten Schicht (p-Basis).
Solarstromerzeugung durch Elektronen-Loch-Paar

Was mit Elektronen-Loch-Paaren in der Solarzelle genau geschieht
© 2012 nau, nach Mertens (2011)
Zum Vergrößern bitte anklicken

A: Ein Elektronen-Loch-Paar, das in der dünnen, nur rund 0,1 Tausendstel Millimeter (Mikrometer) dicken n-dotierten Schicht, entsteht, leistet aller Wahrscheinlichkeit nach keinen Beitrag zum Solarstrom. Das liegt daran, dass der hoch dotierte n+-Emitter nur eine sehr geringe Diffu­sionslänge hat, d.h. ein Elektron kann in dieser Schicht nur eine kurze Wegstrecke zurücklegen, bevor es rekombiniert. Die Chance, dass es das Elektronen-Loch-Paar in die Raum­ladungszone schafft, sind demnach verschwind­end gering.

B: Erzeugen Photon hingegen Elektronen-Loch-Paare direkt in der Raumladungszone, wer­den sie durch das elektrische Feld umge­hend getrennt. Die jeweiligen Ladungsträger müssen bis zu den Solarzellenkontakten zwar einen langen Weg zurücklegen, da sie in der zugehörigen Halbleiter­schicht aber sogenannte Majoritätsladungsträger sind, ist die Wahrscheinlichkeit für eine Rekom­bination sehr gering. Fast alle entstandenen Elektronen-Loch-Paare tragen somit zum Photostrom bei.

C: Auch die Elektronen-Loch-Paare, die innerhalb der Diffusionslänge der p-Basis generiert werden, haben eine gute Chance, zur Solarstromerzeugung beizutragen. Das Elektron diffundiert in diesem Fall zwar relativ ziellos im Halbleiter umher, es schafft es aber wahrscheinlich bis an den Rand der Raumladungszone, wo es vom elektrischen Feld dann in die n-dotierte Schicht und von dort zu den Vorderseitenkontakten befördert wird.

D: Entsteht das Elektronen-Loch-Paar schließlich noch tiefer in der Solarzelle, kann es nicht mehr zum Photostrom beitragen. Es rekombiniert, noch bevor es zur Raumladungszone gelangen kann, mit einem “Loch". Die Energie des Photons bleibt ungenutzt bzw. hat nur dazu beigetragen, dass die Solarzelle durch den Umwandlungsprozess ein wenig erwärmt wurde.

Einfluss des Elektronen-Loch-Paars auf den Solarzellen-Wirkungsgrad

Ideal für die Solarstromausbeute einer Solarzelle wäre es, wenn alle in die Zelle eindringenden Photonen ein Elektronen-Loch-Paar hervorbringen würden; und jedes dieser Paare auch in die Raumladungszone gelangen könnte. Aus verschiedenen physikalischen Gründen ist dies aber nicht möglich:
Zum einen kann in Solarzellen nicht das gesamte Spektrum der Solarstrahlung absorbiert werden: Nicht jedes Lichtteilchen hat genügend Energie, um ein Elektron aus der Elektronenpaarbindung zu lösen.

Diese ungenutzt durch die Solarzelle durchstrahlenden Lichtquanten haben die Transmissionsverluste zur Folge.
Andererseits ist die Energie von Photonen manchmal höher, als zur Erzeugen eines Elektronen-Loch-Paars nötig wäre. Diese überschüssige Energie erwärmt die Solarzelle und führt so zu Thermalisierungsverlusten.
Zusammen ergeben die Transmissions- und Thermalisierungsverluste die spektralen Verluste (spektraler Wirkungsgrad):

  • Bei einer Einstrahlungsstärke von 1.000 W/m² betragen sie in einer idealen Wafersolarzelle 51%, d.h. es werden maximal 49% der einfallenden Solarstrahlung genutzt.

Zum anderen wird, wie im vorigen Abschnitt dargestellt, nur ein Teil der erzeugten Elektronen-Loch-Paare in Solarstrom umgewandelt. Für einen möglichst hohen Umwandlungsgrad entscheidend ist eine große Diffusionslänge: Sie ist umso größer, je besser die Qualität des Halbleiterkristalls ist.
Silizium hat je nach Materialqualität bspw. eine Diffusionslänge zwischen 50 und 500 μm.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Elektronen-Loch-Paare in Solarzellen

Damit in der Solarzelle Strom erzeugt werden kann, reicht es jedoch nicht aus, dass das Licht Elektronen-Loch-Paare erzeugt. Die geladenen Teilchen haben nämlich die Angewohnheit, sich rasch wieder zu binden – oder anders gesagt: das Elektron will zurück in ein Loch. Dieser Vorgang, fachsprachlich die Rekombination, ist in der Solarzelle aber nicht erwünscht. Denn Teilchen, die wieder in einer festen Bindung sind, tragen nicht zum Solarstrom bei.
Solarzellen benötigen deshalb eine Schicht, welche die Rekombination der Elekronen und Löcher möglichst verhindert. Diese Schicht ist die Raumladungszone, in der sich ein elektrisches Feld aufbaut, dass die Teilchen der Elektronen-Loch-Paare voneinander trennt – und entsprechend ihrer Ladungen verteilt.
Doch wie wird aus den getrennten Teilchen dann Solarstrom – und können alle Elektronen-Loch-Paare zur Solarstromerzeugung genutzt werden?

Entscheidend ist der Enstehungsort der Elektronen-Loch-Paare. Bei den in kleinen- und mittelgroßen Aufdachanlagen dominierenden kristallinen Solarzellen unterscheiden Fachleute die Absorption des Sonnenlichts:

  • A) im n-dotierten Silizium (+-Emitter),
  • B) in der Raumladungszone,
  • C) innerhalb
  • D) und außerhalb der Diffusionslänge der p-dotierten Schicht (p-Basis).
Solarstromerzeugung durch Elektronen-Loch-Paar

Was mit Elektronen-Loch-Paaren in der Solarzelle genau geschieht
© 2012 nau, nach Mertens (2011)
Zum Vergrößern bitte anklicken

A: Ein Elektronen-Loch-Paar, das in der dünnen, nur rund 0,1 Tausendstel Millimeter (Mikrometer) dicken n-dotierten Schicht, entsteht, leistet aller Wahrscheinlichkeit nach keinen Beitrag zum Solarstrom. Das liegt daran, dass der hoch dotierte n+-Emitter nur eine sehr geringe Diffu­sionslänge hat, d.h. ein Elektron kann in dieser Schicht nur eine kurze Wegstrecke zurücklegen, bevor es rekombiniert. Die Chance, dass es das Elektronen-Loch-Paar in die Raum­ladungszone schafft, sind demnach verschwind­end gering.

B: Erzeugen Photon hingegen Elektronen-Loch-Paare direkt in der Raumladungszone, wer­den sie durch das elektrische Feld umge­hend getrennt. Die jeweiligen Ladungsträger müssen bis zu den Solarzellenkontakten zwar einen langen Weg zurücklegen, da sie in der zugehörigen Halbleiter­schicht aber sogenannte Majoritätsladungsträger sind, ist die Wahrscheinlichkeit für eine Rekom­bination sehr gering. Fast alle entstandenen Elektronen-Loch-Paare tragen somit zum Photostrom bei.

C: Auch die Elektronen-Loch-Paare, die innerhalb der Diffusionslänge der p-Basis generiert werden, haben eine gute Chance, zur Solarstromerzeugung beizutragen. Das Elektron diffundiert in diesem Fall zwar relativ ziellos im Halbleiter umher, es schafft es aber wahrscheinlich bis an den Rand der Raumladungszone, wo es vom elektrischen Feld dann in die n-dotierte Schicht und von dort zu den Vorderseitenkontakten befördert wird.

D: Entsteht das Elektronen-Loch-Paar schließlich noch tiefer in der Solarzelle, kann es nicht mehr zum Photostrom beitragen. Es rekombiniert, noch bevor es zur Raumladungszone gelangen kann, mit einem “Loch". Die Energie des Photons bleibt ungenutzt bzw. hat nur dazu beigetragen, dass die Solarzelle durch den Umwandlungsprozess ein wenig erwärmt wurde.

Einfluss des Elektronen-Loch-Paars auf den Solarzellen-Wirkungsgrad

Ideal für die Solarstromausbeute einer Solarzelle wäre es, wenn alle in die Zelle eindringenden Photonen ein Elektronen-Loch-Paar hervorbringen würden; und jedes dieser Paare auch in die Raumladungszone gelangen könnte. Aus verschiedenen physikalischen Gründen ist dies aber nicht möglich:
Zum einen kann in Solarzellen nicht das gesamte Spektrum der Solarstrahlung absorbiert werden: Nicht jedes Lichtteilchen hat genügend Energie, um ein Elektron aus der Elektronenpaarbindung zu lösen.

Diese ungenutzt durch die Solarzelle durchstrahlenden Lichtquanten haben die Transmissionsverluste zur Folge.
Andererseits ist die Energie von Photonen manchmal höher, als zur Erzeugen eines Elektronen-Loch-Paars nötig wäre. Diese überschüssige Energie erwärmt die Solarzelle und führt so zu Thermalisierungsverlusten.
Zusammen ergeben die Transmissions- und Thermalisierungsverluste die spektralen Verluste (spektraler Wirkungsgrad):

  • Bei einer Einstrahlungsstärke von 1.000 W/m² betragen sie in einer idealen Wafersolarzelle 51%, d.h. es werden maximal 49% der einfallenden Solarstrahlung genutzt.

Zum anderen wird, wie im vorigen Abschnitt dargestellt, nur ein Teil der erzeugten Elektronen-Loch-Paare in Solarstrom umgewandelt. Für einen möglichst hohen Umwandlungsgrad entscheidend ist eine große Diffusionslänge: Sie ist umso größer, je besser die Qualität des Halbleiterkristalls ist.
Silizium hat je nach Materialqualität bspw. eine Diffusionslänge zwischen 50 und 500 μm.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung