Halbleiter

 

Halbleiter

 
 

Was tut der Halbleiter in der Solarzelle?

Was hat der Halbleiter nur an sich, dass er unsere gesamte Lebenswelt in den letzten Jahrzehnten derart gründlich umkrempeln konnte? Ohne halbleitende Materialien keine Mikroelektronik, ohne diese wäre der Siegeszug von Computern, Handys, Internet etc. nicht denkbar, und ohne das … wer möchte sich ein Leben im analogen Dunkel heute noch vorstellen?
Dieser Beitrag betrachtet den Halbleiter etwas genauer.

Halbleiter sind Werkstoffe, die elektrischen Strom unter bestimmten Umständen sehr gut leiten – und unter anderen Bedingungen gar nicht. Das prädestiniert sie in der Mikroelektronik zum An-/Ausschalter en miniature – und in der Photovoltaik zum Kraftzentrum der Solarzelle.

Solarstromerzeugung im Halbleiter – wie geht das vor sich?

Abhängig ist die Leitfähigkeit verschiedener Halbleiter-Materialien insbesondere:

  • von der Temperatur,
  • von der Stromstärke bzw. Stromspannung
  • und vom Halbleitermaterial selbst.

Stimmen die Bedingungen, leitet das Material. Genauer – die elektrisch negativ geladenen Elektronen im Material bewegen sich, d.h. Strom fließt.
Stimmen die Bedingungen nicht, hängen die Teilchen im Atomgitter fest: Nichts bewegt sich; kein Strom.
Und genau hier setzt die Photovoltaik an.




Zunächst einmal: Wie sich Leiter, Halbleiter und Isolatoren unterscheiden

Grafik: Halbleiter einsatzbereit zur Solarstromerzeugung

Halbleiter Silizium, bearbeitet für den Einsatz in der Solarzelle – © GaToR-GFX/Fotolia

Ein Werkstoff kann elektrischen Strom nur dann leiten, wenn er ausreichend frei bewegliche, geladene Teilchen – sogenannte Ladungsträger – enthält. Physiker unterscheiden in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit:

  • Leiter,
  • Nichtleiter (Isolatoren)
  • und Halbleiter.

Manche Materialien – Leiter wie z.B. die Gruppe der Metalle – sind von Natur aus geradezu gespickt mit freien Ladungsträgern. Andere, z.B. Keramikwerkstoffe, die deshalb gern als Isolatoren verwendet werden, leiten nicht bzw. nur unter Extrembedingungen, die in der Praxis mit “nicht" übersetzt werden können.
Zwischen beiden stehen die Halbleiter, in denen die ausreichende Anzahl von Teilchen erst dann in Bewegung kommt, wenn Energie zugeführt wird – z.B. in Form von Wärme oder Licht.

In welche der drei Kategorien ein chemisches Element bzw. ein Material fällt, definiert die Fachwelt nach der Energie, die notwendig ist, das geladenen Teilchen aus seinen festen Bindungen im Kristallgitter zu befreien.
Hierzu muss das geladene Teilchen so viel Energie aufnehmen, dass es aus seinem relativen Ruhezustand herausspringt auf ein höheres Energieniveau. Die Physik spricht statt von “Ruhezustand" oder “Energieniveau" gern von Energiebändern, dem Valenz- und dem Leitungsband, zwischen denen ein Abstand herrscht, der übersprungen werden muss – die Bandlücke oder der Bandabstand.

Die Bandlücke wird in der Einheit Elektronenvolt (eV) angegeben, wobei 1 eV der winzigen Energiemenge von 4,45*10-26 (0,0000000000000000000000000445) kWh entspricht.

Elektrische Leitfähigkeit und Bandabstand in eV
Leiter Isolatoren Halbleiter
0 ≥ 3 (5)* 0 – 3 (5)*

* Angaben zu den Bandlückenwerten variieren in der Fachliteratur.

Was tut der Halbleiter in der Solarzelle?

Was hat der Halbleiter nur an sich, dass er unsere gesamte Lebenswelt in den letzten Jahrzehnten derart gründlich umkrempeln konnte? Ohne halbleitende Materialien keine Mikroelektronik, ohne diese wäre der Siegeszug von Computern, Handys, Internet etc. nicht denkbar, und ohne das … wer möchte sich ein Leben im analogen Dunkel heute noch vorstellen?
Dieser Beitrag betrachtet den Halbleiter etwas genauer.

Halbleiter sind Werkstoffe, die elektrischen Strom unter bestimmten Umständen sehr gut leiten – und unter anderen Bedingungen gar nicht. Das prädestiniert sie in der Mikroelektronik zum An-/Ausschalter en miniature – und in der Photovoltaik zum Kraftzentrum der Solarzelle.

Solarstromerzeugung im Halbleiter – wie geht das vor sich?

Abhängig ist die Leitfähigkeit verschiedener Halbleiter-Materialien insbesondere:

  • von der Temperatur,
  • von der Stromstärke bzw. Stromspannung
  • und vom Halbleitermaterial selbst.

Stimmen die Bedingungen, leitet das Material. Genauer – die elektrisch negativ geladenen Elektronen im Material bewegen sich, d.h. Strom fließt.
Stimmen die Bedingungen nicht, hängen die Teilchen im Atomgitter fest: Nichts bewegt sich; kein Strom.
Und genau hier setzt die Photovoltaik an.




Zunächst einmal: Wie sich Leiter, Halbleiter und Isolatoren unterscheiden

Grafik: Halbleiter einsatzbereit zur Solarstromerzeugung

Halbleiter Silizium, bearbeitet für den Einsatz in der Solarzelle – © GaToR-GFX/Fotolia

Ein Werkstoff kann elektrischen Strom nur dann leiten, wenn er ausreichend frei bewegliche, geladene Teilchen – sogenannte Ladungsträger – enthält. Physiker unterscheiden in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit:

  • Leiter,
  • Nichtleiter (Isolatoren)
  • und Halbleiter.

Manche Materialien – Leiter wie z.B. die Gruppe der Metalle – sind von Natur aus geradezu gespickt mit freien Ladungsträgern. Andere, z.B. Keramikwerkstoffe, die deshalb gern als Isolatoren verwendet werden, leiten nicht bzw. nur unter Extrembedingungen, die in der Praxis mit “nicht" übersetzt werden können.
Zwischen beiden stehen die Halbleiter, in denen die ausreichende Anzahl von Teilchen erst dann in Bewegung kommt, wenn Energie zugeführt wird – z.B. in Form von Wärme oder Licht.

In welche der drei Kategorien ein chemisches Element bzw. ein Material fällt, definiert die Fachwelt nach der Energie, die notwendig ist, das geladenen Teilchen aus seinen festen Bindungen im Kristallgitter zu befreien.
Hierzu muss das geladene Teilchen so viel Energie aufnehmen, dass es aus seinem relativen Ruhezustand herausspringt auf ein höheres Energieniveau. Die Physik spricht statt von “Ruhezustand" oder “Energieniveau" gern von Energiebändern, dem Valenz- und dem Leitungsband, zwischen denen ein Abstand herrscht, der übersprungen werden muss – die Bandlücke oder der Bandabstand.

Die Bandlücke wird in der Einheit Elektronenvolt (eV) angegeben, wobei 1 eV der winzigen Energiemenge von 4,45*10-26 (0,0000000000000000000000000445) kWh entspricht.

Elektrische Leitfähigkeit und Bandabstand in eV
Leiter Isolatoren Halbleiter
0 ≥ 3 (5)* 0 – 3 (5)*

* Angaben zu den Bandlückenwerten variieren in der Fachliteratur.

Was tut der Halbleiter in der Solarzelle?

Was hat der Halbleiter nur an sich, dass er unsere gesamte Lebenswelt in den letzten Jahrzehnten derart gründlich umkrempeln konnte? Ohne halbleitende Materialien keine Mikroelektronik, ohne diese wäre der Siegeszug von Computern, Handys, Internet etc. nicht denkbar, und ohne das … wer möchte sich ein Leben im analogen Dunkel heute noch vorstellen?
Dieser Beitrag betrachtet den Halbleiter etwas genauer.

Halbleiter sind Werkstoffe, die elektrischen Strom unter bestimmten Umständen sehr gut leiten – und unter anderen Bedingungen gar nicht. Das prädestiniert sie in der Mikroelektronik zum An-/Ausschalter en miniature – und in der Photovoltaik zum Kraftzentrum der Solarzelle.

Solarstromerzeugung im Halbleiter – wie geht das vor sich?

Abhängig ist die Leitfähigkeit verschiedener Halbleiter-Materialien insbesondere:

  • von der Temperatur,
  • von der Stromstärke bzw. Stromspannung
  • und vom Halbleitermaterial selbst.

Stimmen die Bedingungen, leitet das Material. Genauer – die elektrisch negativ geladenen Elektronen im Material bewegen sich, d.h. Strom fließt.
Stimmen die Bedingungen nicht, hängen die Teilchen im Atomgitter fest: Nichts bewegt sich; kein Strom.
Und genau hier setzt die Photovoltaik an.




Zunächst einmal: Wie sich Leiter, Halbleiter und Isolatoren unterscheiden

Grafik: Halbleiter einsatzbereit zur Solarstromerzeugung

Halbleiter Silizium, bearbeitet für den Einsatz in der Solarzelle – © GaToR-GFX/Fotolia

Ein Werkstoff kann elektrischen Strom nur dann leiten, wenn er ausreichend frei bewegliche, geladene Teilchen – sogenannte Ladungsträger – enthält. Physiker unterscheiden in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit:

  • Leiter,
  • Nichtleiter (Isolatoren)
  • und Halbleiter.

Manche Materialien – Leiter wie z.B. die Gruppe der Metalle – sind von Natur aus geradezu gespickt mit freien Ladungsträgern. Andere, z.B. Keramikwerkstoffe, die deshalb gern als Isolatoren verwendet werden, leiten nicht bzw. nur unter Extrembedingungen, die in der Praxis mit “nicht" übersetzt werden können.
Zwischen beiden stehen die Halbleiter, in denen die ausreichende Anzahl von Teilchen erst dann in Bewegung kommt, wenn Energie zugeführt wird – z.B. in Form von Wärme oder Licht.

In welche der drei Kategorien ein chemisches Element bzw. ein Material fällt, definiert die Fachwelt nach der Energie, die notwendig ist, das geladenen Teilchen aus seinen festen Bindungen im Kristallgitter zu befreien.
Hierzu muss das geladene Teilchen so viel Energie aufnehmen, dass es aus seinem relativen Ruhezustand herausspringt auf ein höheres Energieniveau. Die Physik spricht statt von “Ruhezustand" oder “Energieniveau" gern von Energiebändern, dem Valenz- und dem Leitungsband, zwischen denen ein Abstand herrscht, der übersprungen werden muss – die Bandlücke oder der Bandabstand.

Die Bandlücke wird in der Einheit Elektronenvolt (eV) angegeben, wobei 1 eV der winzigen Energiemenge von 4,45*10-26 (0,0000000000000000000000000445) kWh entspricht.

Elektrische Leitfähigkeit und Bandabstand in eV
Leiter Isolatoren Halbleiter
0 ≥ 3 (5)* 0 – 3 (5)*

* Angaben zu den Bandlückenwerten variieren in der Fachliteratur.

 

Warum bestehen Solarzellen aus Halbleitermaterialien?

In der Photovoltaik bzw. konkreter in Solarzellen kommen Halbleiter vor allem wegen zwei Eigenschaften zum Einsatz:
Zum einen kann die Energie des Sonnenlichts in halbleitenden Materialien frei bewegliche Ladungsträger erzeugen. Dieser Vorgang ist als innerer Photoeffekt bekannt – er ist die Grundvor­aussetzung dafür, dass Licht in der Solarzelle zu elektrischem Strom wird.
Zum anderen haben Halbleiter die Eigenschaft, dass ihre elektrische Leitfähigkeit durch das Einbauen fremder chemischer Elemente gezielt beeinflusst werden kann (Dotierung). Ingenieure nutzen diese Qualität, um mit Hilfe von verschieden dotierten Schichten im Kern der Solarzelle ein elektrisches Feld zu schaffen. Die sogenannte Raumladungszone hat die Aufgabe, die vom Licht hervorgebrachten freien Ladungsträger sicher zu den jeweiligen Metallkontakten der Zellen zu transportieren.
Dort können sie dann als elektrische Spannung abgegriffen werden und – nachdem der Stromkreis mit einem Verbraucher geschlossen wurde – als Solarstrom fließen.

Und das ist schon der ganze Trick.

Welche halbleitenden Materialien in der Photovoltaik genutzt werden

Je nach ihren spezifischen Merkmalen wie bspw. ihrer Fähigkeit, das Licht zu absorbieren, werden unterschiedliche Halbleiter für verschiedene Zellen-Technologien eingesetzt:

Halbleiter in Solarzellen
Material Zellen-Technologie Marktanteil 2014 [%] Wirkungsgrad 2016[%]
Silizium Dickschicht 91 25,6
amorphes Silizium Dünnschicht 1,5 13,6
Cadmium-Tellurid (CdTe) Dünnschicht 4,0 21,0
CIGS Dünnschicht 3,5 21,0

Quellen: PV-Report ISE-Fraunhofer S. 19 bzw. 24, NREL – Solarzellenwirkungsgrade.

Gerade auf der Schwelle zum kommerziellen Einsatz stehen die organischen Halbleiter, die aus verschiedenen Kohlenstoffverbindungen bestehen und den Bau besonders dünner, flexibler und preiswerter Solarzellen ermöglichen.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Warum bestehen Solarzellen aus Halbleitermaterialien?

In der Photovoltaik bzw. konkreter in Solarzellen kommen Halbleiter vor allem wegen zwei Eigenschaften zum Einsatz:
Zum einen kann die Energie des Sonnenlichts in halbleitenden Materialien frei bewegliche Ladungsträger erzeugen. Dieser Vorgang ist als innerer Photoeffekt bekannt – er ist die Grundvor­aussetzung dafür, dass Licht in der Solarzelle zu elektrischem Strom wird.
Zum anderen haben Halbleiter die Eigenschaft, dass ihre elektrische Leitfähigkeit durch das Einbauen fremder chemischer Elemente gezielt beeinflusst werden kann (Dotierung). Ingenieure nutzen diese Qualität, um mit Hilfe von verschieden dotierten Schichten im Kern der Solarzelle ein elektrisches Feld zu schaffen. Die sogenannte Raumladungszone hat die Aufgabe, die vom Licht hervorgebrachten freien Ladungsträger sicher zu den jeweiligen Metallkontakten der Zellen zu transportieren.
Dort können sie dann als elektrische Spannung abgegriffen werden und – nachdem der Stromkreis mit einem Verbraucher geschlossen wurde – als Solarstrom fließen.

Und das ist schon der ganze Trick.

Welche halbleitenden Materialien in der Photovoltaik genutzt werden

Je nach ihren spezifischen Merkmalen wie bspw. ihrer Fähigkeit, das Licht zu absorbieren, werden unterschiedliche Halbleiter für verschiedene Zellen-Technologien eingesetzt:

Halbleiter in Solarzellen
Material Zellen-Technologie Marktanteil 2014 [%] Wirkungsgrad 2016[%]
Silizium Dickschicht 91 25,6
amorphes Silizium Dünnschicht 1,5 13,6
Cadmium-Tellurid (CdTe) Dünnschicht 4,0 21,0
CIGS Dünnschicht 3,5 21,0

Quellen: PV-Report ISE-Fraunhofer S. 19 bzw. 24, NREL – Solarzellenwirkungsgrade.

Gerade auf der Schwelle zum kommerziellen Einsatz stehen die organischen Halbleiter, die aus verschiedenen Kohlenstoffverbindungen bestehen und den Bau besonders dünner, flexibler und preiswerter Solarzellen ermöglichen.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Warum bestehen Solarzellen aus Halbleitermaterialien?

In der Photovoltaik bzw. konkreter in Solarzellen kommen Halbleiter vor allem wegen zwei Eigenschaften zum Einsatz:
Zum einen kann die Energie des Sonnenlichts in halbleitenden Materialien frei bewegliche Ladungsträger erzeugen. Dieser Vorgang ist als innerer Photoeffekt bekannt – er ist die Grundvor­aussetzung dafür, dass Licht in der Solarzelle zu elektrischem Strom wird.
Zum anderen haben Halbleiter die Eigenschaft, dass ihre elektrische Leitfähigkeit durch das Einbauen fremder chemischer Elemente gezielt beeinflusst werden kann (Dotierung). Ingenieure nutzen diese Qualität, um mit Hilfe von verschieden dotierten Schichten im Kern der Solarzelle ein elektrisches Feld zu schaffen. Die sogenannte Raumladungszone hat die Aufgabe, die vom Licht hervorgebrachten freien Ladungsträger sicher zu den jeweiligen Metallkontakten der Zellen zu transportieren.
Dort können sie dann als elektrische Spannung abgegriffen werden und – nachdem der Stromkreis mit einem Verbraucher geschlossen wurde – als Solarstrom fließen.

Und das ist schon der ganze Trick.

Welche halbleitenden Materialien in der Photovoltaik genutzt werden

Je nach ihren spezifischen Merkmalen wie bspw. ihrer Fähigkeit, das Licht zu absorbieren, werden unterschiedliche Halbleiter für verschiedene Zellen-Technologien eingesetzt:

Halbleiter in Solarzellen
Material Zellen-Technologie Marktanteil 2014 [%] Wirkungsgrad 2016[%]
Silizium Dickschicht 91 25,6
amorphes Silizium Dünnschicht 1,5 13,6
Cadmium-Tellurid (CdTe) Dünnschicht 4,0 21,0
CIGS Dünnschicht 3,5 21,0

Quellen: PV-Report ISE-Fraunhofer S. 19 bzw. 24, NREL – Solarzellenwirkungsgrade.

Gerade auf der Schwelle zum kommerziellen Einsatz stehen die organischen Halbleiter, die aus verschiedenen Kohlenstoffverbindungen bestehen und den Bau besonders dünner, flexibler und preiswerter Solarzellen ermöglichen.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung