Raumladungszone

 

Raumladungszone

 
 

Das elektrische Feld im Kern der Solarzelle

Die Raumladungszone – auch pn-Übergang, Sperrschicht oder Verarmungszone genannt – ist ein elektrisches Feld im Kern der Solarzelle. Ihre zentrale Aufgabe ist es:

  • die vom Licht erzeugten, frei beweglichen Teilchen zu den Metallkontakten an der Vorder- und Rückseite der Zelle zu befördern.

Dort können sie als Stromspannung abgegriffen werden – und nach Anschluss eines Verbrauchers als elektrischer Strom fließen.




Wie die Sperrschicht in Halbleitern entsteht

Solarzelle bestehen aus Halbleitern, also aus Materialien, die elektrischen Strom unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich gut leiten. In mehr als 90% aller Zellen kommt dabei das Halbleitermaterial Silizium zum Einsatz. Um in Silizium einen pn-Übergang zu erzeugen, muss das Halbleitermaterial gezielt mit Fremdatomen angereichert – dotiert – werden.
Zunächst binden Ingenieure dafür in das Silizium so genannte Akzeptoratome ein, die im Halbleiter ein Überangebot an positiv geladenen Teilchen (Löchern) erzeugen; dieser Vorgang nennt sich p-Dotierung. Danach werden in einem schmalen Teilbereich Donatoratome wie Phosphor oder Antimon ins Siliziumgitter eingebaut, um dort einen Überschuss an negativ geladenen Elektronen entstehen zu lassen (n-Dotierung). Nach der Dotierung besteht das Silizium aus zwei Lagen: einer n- und einer p-dotierten Schicht.

Enstehung der Sperrzone in Halbleitern

Die Entstehung der Raumladungszone in unter­schiedlich dotierten Halbleitern – schematische Darstellung © 2012 N. Auer / Photovoltaiksolarstrom.de
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Zwischen diesen beiden Schichten kommt es dann zu einem Austausch der jeweils überschüssigen Teilchen: Zunächst ziehen die überzäh­ligen Löcher in der p-dotierten Schicht die freien Elektronen aus der n-dotierten Schicht an. Dieser Ausgleich von unter­schiedlich hohen Teilchen-Konzen­trationen wird als Diffusion bezeichnet – die Elektronen diffundieren demnach in ein freies Loch im p-dotierten Halbleiter.
In der n-dotierten Schicht lassen die abwandernden Elektronen zugleich ihre posi­tiv geladenen Atome zurück. Da sie fest ins Kristallgitter eingebunden bleiben, spricht der Physiker von einer ortsfesten positiven Ladung. Umgekehrt ist der Vorgang im p-dotierten Halbleiter: Durch die diffundierenden Löcher bleiben ortsfeste, negativ geladene Atome zurück (siehe auch Abb. rechts).

Im Bereich des pn-Übergangs zwischen den Schichten steigt durch den Vorgang der Diffusion allmählich die Zahl der ortsfesten positiven und negativen Ladungen. Dadurch baut sich ein elektrisches Feld auf, das einen Teil der Elektronen in der p-dotierten Schicht dazu veranlasst, als Feldstrom wieder in den n-Halbleiter zurückzufließen.
Am Ende heben sich die entgegengesetzten Diffusions- und Feldströme auf und schaffen am pn-Übergang einen Gleichgewichtsbereich, der auf Grund der Rekombination von Elektronen und Löchern kaum noch freie Ladungsträger enthält – eine Raumladungszone ist entstanden, in der ortsfeste postive und negative Ladungen ein elektrisches Feld verursachen, das ohne weitere Energiezufuhr, etwa durch eine elektrische Spannung oder elektromagnetische Strahlung, den Ladungsaustausch zwischen n- und p-Halbleiter verhindert (Diode).

Das elektrische Feld im Kern der Solarzelle

Die Raumladungszone – auch pn-Übergang, Sperrschicht oder Verarmungszone genannt – ist ein elektrisches Feld im Kern der Solarzelle. Ihre zentrale Aufgabe ist es:

  • die vom Licht erzeugten, frei beweglichen Teilchen zu den Metallkontakten an der Vorder- und Rückseite der Zelle zu befördern.

Dort können sie als Stromspannung abgegriffen werden – und nach Anschluss eines Verbrauchers als elektrischer Strom fließen.




Wie die Sperrschicht in Halbleitern entsteht

Solarzelle bestehen aus Halbleitern, also aus Materialien, die elektrischen Strom unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich gut leiten. In mehr als 90% aller Zellen kommt dabei das Halbleitermaterial Silizium zum Einsatz. Um in Silizium einen pn-Übergang zu erzeugen, muss das Halbleitermaterial gezielt mit Fremdatomen angereichert – dotiert – werden.
Zunächst binden Ingenieure dafür in das Silizium so genannte Akzeptoratome ein, die im Halbleiter ein Überangebot an positiv geladenen Teilchen (Löchern) erzeugen; dieser Vorgang nennt sich p-Dotierung. Danach werden in einem schmalen Teilbereich Donatoratome wie Phosphor oder Antimon ins Siliziumgitter eingebaut, um dort einen Überschuss an negativ geladenen Elektronen entstehen zu lassen (n-Dotierung). Nach der Dotierung besteht das Silizium aus zwei Lagen: einer n- und einer p-dotierten Schicht.

Enstehung der Sperrzone in Halbleitern

Die Entstehung der Raumladungszone in unter­schiedlich dotierten Halbleitern – schematische Darstellung © 2012 N. Auer / Photovoltaiksolarstrom.de
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Zwischen diesen beiden Schichten kommt es dann zu einem Austausch der jeweils überschüssigen Teilchen: Zunächst ziehen die überzäh­ligen Löcher in der p-dotierten Schicht die freien Elektronen aus der n-dotierten Schicht an. Dieser Ausgleich von unter­schiedlich hohen Teilchen-Konzen­trationen wird als Diffusion bezeichnet – die Elektronen diffundieren demnach in ein freies Loch im p-dotierten Halbleiter.
In der n-dotierten Schicht lassen die abwandernden Elektronen zugleich ihre posi­tiv geladenen Atome zurück. Da sie fest ins Kristallgitter eingebunden bleiben, spricht der Physiker von einer ortsfesten positiven Ladung. Umgekehrt ist der Vorgang im p-dotierten Halbleiter: Durch die diffundierenden Löcher bleiben ortsfeste, negativ geladene Atome zurück (siehe auch Abb. rechts).

Im Bereich des pn-Übergangs zwischen den Schichten steigt durch den Vorgang der Diffusion allmählich die Zahl der ortsfesten positiven und negativen Ladungen. Dadurch baut sich ein elektrisches Feld auf, das einen Teil der Elektronen in der p-dotierten Schicht dazu veranlasst, als Feldstrom wieder in den n-Halbleiter zurückzufließen.
Am Ende heben sich die entgegengesetzten Diffusions- und Feldströme auf und schaffen am pn-Übergang einen Gleichgewichtsbereich, der auf Grund der Rekombination von Elektronen und Löchern kaum noch freie Ladungsträger enthält – eine Raumladungszone ist entstanden, in der ortsfeste postive und negative Ladungen ein elektrisches Feld verursachen, das ohne weitere Energiezufuhr, etwa durch eine elektrische Spannung oder elektromagnetische Strahlung, den Ladungsaustausch zwischen n- und p-Halbleiter verhindert (Diode).

Das elektrische Feld im Kern der Solarzelle

Die Raumladungszone – auch pn-Übergang, Sperrschicht oder Verarmungszone genannt – ist ein elektrisches Feld im Kern der Solarzelle. Ihre zentrale Aufgabe ist es:

  • die vom Licht erzeugten, frei beweglichen Teilchen zu den Metallkontakten an der Vorder- und Rückseite der Zelle zu befördern.

Dort können sie als Stromspannung abgegriffen werden – und nach Anschluss eines Verbrauchers als elektrischer Strom fließen.




Wie die Sperrschicht in Halbleitern entsteht

Solarzelle bestehen aus Halbleitern, also aus Materialien, die elektrischen Strom unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich gut leiten. In mehr als 90% aller Zellen kommt dabei das Halbleitermaterial Silizium zum Einsatz. Um in Silizium einen pn-Übergang zu erzeugen, muss das Halbleitermaterial gezielt mit Fremdatomen angereichert – dotiert – werden.
Zunächst binden Ingenieure dafür in das Silizium so genannte Akzeptoratome ein, die im Halbleiter ein Überangebot an positiv geladenen Teilchen (Löchern) erzeugen; dieser Vorgang nennt sich p-Dotierung. Danach werden in einem schmalen Teilbereich Donatoratome wie Phosphor oder Antimon ins Siliziumgitter eingebaut, um dort einen Überschuss an negativ geladenen Elektronen entstehen zu lassen (n-Dotierung). Nach der Dotierung besteht das Silizium aus zwei Lagen: einer n- und einer p-dotierten Schicht.

Enstehung der Sperrzone in Halbleitern

Die Entstehung der Raumladungszone in unter­schiedlich dotierten Halbleitern – schematische Darstellung © 2012 N. Auer / Photovoltaiksolarstrom.de
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Zwischen diesen beiden Schichten kommt es dann zu einem Austausch der jeweils überschüssigen Teilchen: Zunächst ziehen die überzäh­ligen Löcher in der p-dotierten Schicht die freien Elektronen aus der n-dotierten Schicht an. Dieser Ausgleich von unter­schiedlich hohen Teilchen-Konzen­trationen wird als Diffusion bezeichnet – die Elektronen diffundieren demnach in ein freies Loch im p-dotierten Halbleiter.
In der n-dotierten Schicht lassen die abwandernden Elektronen zugleich ihre posi­tiv geladenen Atome zurück. Da sie fest ins Kristallgitter eingebunden bleiben, spricht der Physiker von einer ortsfesten positiven Ladung. Umgekehrt ist der Vorgang im p-dotierten Halbleiter: Durch die diffundierenden Löcher bleiben ortsfeste, negativ geladene Atome zurück (siehe auch Abb. rechts).

Im Bereich des pn-Übergangs zwischen den Schichten steigt durch den Vorgang der Diffusion allmählich die Zahl der ortsfesten positiven und negativen Ladungen. Dadurch baut sich ein elektrisches Feld auf, das einen Teil der Elektronen in der p-dotierten Schicht dazu veranlasst, als Feldstrom wieder in den n-Halbleiter zurückzufließen.
Am Ende heben sich die entgegengesetzten Diffusions- und Feldströme auf und schaffen am pn-Übergang einen Gleichgewichtsbereich, der auf Grund der Rekombination von Elektronen und Löchern kaum noch freie Ladungsträger enthält – eine Raumladungszone ist entstanden, in der ortsfeste postive und negative Ladungen ein elektrisches Feld verursachen, das ohne weitere Energiezufuhr, etwa durch eine elektrische Spannung oder elektromagnetische Strahlung, den Ladungsaustausch zwischen n- und p-Halbleiter verhindert (Diode).

 

Funktion der Raumladungszone in Solarzellen

Verarmungszone trennt Elektronen-Loch-Paare

Funktionsprinzip der Raumladungszone in kristallinen Solarzellen – © Agentur für Erneuerbare Energien
Zum Vergrößern bitte anklicken

Den Umstand, dass pn-Übergänge in Halb­leitern eine Sperrzone ausbilden, machen sich Elektrotechniker heute in vielen elek­tronischen Bauteilen zu Nutze, etwa bei Gleichrichtern und Isolatoren; oder in Solarzellen, die nach dem Prinzip der Photodiode Licht in elektrischen Strom umwandeln.

Treffen Lichtquanten auf eine Solarzelle, werden sie je nach Wellenlänge in den verschiedenen Zellenschichten absorbiert. Ist die Energie des absorbierten Photons groß genug, um ein Elektron aus dem Kristallgitter zu lösen und es auf einen höheren Ener­giezustand zu heben, entsteht ein Elektronen-Loch-Paar.

Was mit dem Elektronen-Loch-Paar weiter geschieht, hängt davon ab, ob es sich um

handelt.

Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium bestehen aus einer rund 10 Nanometer (ein Millionstel Millimeter) starken p-dotierten, einer rund 0,25-0,40 Mikrometer (ein Tausendstel Millimeter) dicken undotierten, intrinsischen und einer ebenfalls etwa 10 Nanometer dicken n-dotierten Schicht. Aus dem Schichtaufbau positiv – intrinisch – negativ leitet sich die Bezeichnung pin-Solarzelle ab.
In ihnen erstreckt sich die Raumladungszone über die gesamte Tiefe der intrinsischen Siliziumschicht, in der ein konstantes elektrisches Feld besteht. Dieses Feld trennt die durch den Lichteinfall erzeugten Elektronen-Loch-Paare: Die Elektronen fließen als Feldstrom zum Front- und die Löcher zum Rückseiten-Kontakt der Solarzelle. Wird ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, schließt sich der Stromkreis und Solarstrom fließt.

Kristalline Solarzellen bestehen hingegen aus einer rund hundert Nanometer dicken, hoch­dotierten n-Siliziumschicht (n+-Emitter) und einer ungefähr 150-200 Mikrometer dicken, weniger stark dotierten p-Schicht, der p-Basis. Die Verarmungszone kristalliner Solarzellen ist deshalb unsymmetrisch, sie reicht tiefer, ca. einen Mikrometer, in die p-Schicht hinein, füllt diese aber bei Weitem nicht aus.
Elektronen-Loch-Paare, die in der Raumladung­szone kristalliner Solarzellen entstehen, gehen denselben Weg wie in pin-Zellen. Sie werden durch das elektrische Feld getrennt und fließen zum jeweiligen Kontakt.
Elektronen, die außerhalb der Verarmungszone aus dem Kristallgitter geschlagen werden, können hingegen nur Solarstrom erzeugen, wenn sie nicht zu weit entfernt von der Sperrschicht entstehen. Sonst suchen sie sich wieder ein freies Loch – sie rekombinieren – und tragen nicht zur Solarstromerzeugung bei; sie haben durch den Umwandlungsprozess das Silizium-Kristall aber ein wenig erhitzt.

Das Maß für die mögliche Entfernung des Elektronen-Entstehungsorts zur Raumladungs­zone ist die Diffusionslänge einer Siliziumschicht, die beschreibt, welche Wegstrecke ein Elektron zurücklegt, ehe es rekombiniert. Bei Silizium liegt sie typischerweise zwischen 50 bis 500 Mikrometer.
Bei Wafer-Solarzellen ist es deshalb wichtig, dass durch eine hohe Kristallqualität des Siliziums eine möglichst große Diffusionslänge geschaffen wird. Denn je größer sie ist, desto höher ist die Zahl der Elektronen, die noch in die Raumladungszone gelangen können, desto geringer sind die Rekombinations-Verluste – und desto besser ist letztenendes die Solarstromausbeute, die man als PV-Anlagenbetreiber erwirtschaften kann.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Funktion der Raumladungszone in Solarzellen

Verarmungszone trennt Elektronen-Loch-Paare

Funktionsprinzip der Raumladungszone in kristallinen Solarzellen – © Agentur für Erneuerbare Energien
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Den Umstand, dass pn-Übergänge in Halb­leitern eine Sperrzone ausbilden, machen sich Elektrotechniker heute in vielen elek­tronischen Bauteilen zu Nutze, etwa bei Gleichrichtern und Isolatoren; oder in Solarzellen, die nach dem Prinzip der Photodiode Licht in elektrischen Strom umwandeln.

Treffen Lichtquanten auf eine Solarzelle, werden sie je nach Wellenlänge in den verschiedenen Zellenschichten absorbiert. Ist die Energie des absorbierten Photons groß genug, um ein Elektron aus dem Kristallgitter zu lösen und es auf einen höheren Ener­giezustand zu heben, entsteht ein Elektronen-Loch-Paar.

Was mit dem Elektronen-Loch-Paar weiter geschieht, hängt davon ab, ob es sich um

handelt.

Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium bestehen aus einer rund 10 Nanometer (ein Millionstel Millimeter) starken p-dotierten, einer rund 0,25-0,40 Mikrometer (ein Tausendstel Millimeter) dicken undotierten, intrinsischen und einer ebenfalls etwa 10 Nanometer dicken n-dotierten Schicht. Aus dem Schichtaufbau positiv – intrinisch – negativ leitet sich die Bezeichnung pin-Solarzelle ab.
In ihnen erstreckt sich die Raumladungszone über die gesamte Tiefe der intrinsischen Siliziumschicht, in der ein konstantes elektrisches Feld besteht. Dieses Feld trennt die durch den Lichteinfall erzeugten Elektronen-Loch-Paare: Die Elektronen fließen als Feldstrom zum Front- und die Löcher zum Rückseiten-Kontakt der Solarzelle. Wird ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, schließt sich der Stromkreis und Solarstrom fließt.

Kristalline Solarzellen bestehen hingegen aus einer rund hundert Nanometer dicken, hoch­dotierten n-Siliziumschicht (n+-Emitter) und einer ungefähr 150-200 Mikrometer dicken, weniger stark dotierten p-Schicht, der p-Basis. Die Verarmungszone kristalliner Solarzellen ist deshalb unsymmetrisch, sie reicht tiefer, ca. einen Mikrometer, in die p-Schicht hinein, füllt diese aber bei Weitem nicht aus.
Elektronen-Loch-Paare, die in der Raumladung­szone kristalliner Solarzellen entstehen, gehen denselben Weg wie in pin-Zellen. Sie werden durch das elektrische Feld getrennt und fließen zum jeweiligen Kontakt.
Elektronen, die außerhalb der Verarmungszone aus dem Kristallgitter geschlagen werden, können hingegen nur Solarstrom erzeugen, wenn sie nicht zu weit entfernt von der Sperrschicht entstehen. Sonst suchen sie sich wieder ein freies Loch – sie rekombinieren – und tragen nicht zur Solarstromerzeugung bei; sie haben durch den Umwandlungsprozess das Silizium-Kristall aber ein wenig erhitzt.

Das Maß für die mögliche Entfernung des Elektronen-Entstehungsorts zur Raumladungs­zone ist die Diffusionslänge einer Siliziumschicht, die beschreibt, welche Wegstrecke ein Elektron zurücklegt, ehe es rekombiniert. Bei Silizium liegt sie typischerweise zwischen 50 bis 500 Mikrometer.
Bei Wafer-Solarzellen ist es deshalb wichtig, dass durch eine hohe Kristallqualität des Siliziums eine möglichst große Diffusionslänge geschaffen wird. Denn je größer sie ist, desto höher ist die Zahl der Elektronen, die noch in die Raumladungszone gelangen können, desto geringer sind die Rekombinations-Verluste – und desto besser ist letztenendes die Solarstromausbeute, die man als PV-Anlagenbetreiber erwirtschaften kann.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

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Verarmungszone trennt Elektronen-Loch-Paare

Funktionsprinzip der Raumladungszone in kristallinen Solarzellen – © Agentur für Erneuerbare Energien
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Den Umstand, dass pn-Übergänge in Halb­leitern eine Sperrzone ausbilden, machen sich Elektrotechniker heute in vielen elek­tronischen Bauteilen zu Nutze, etwa bei Gleichrichtern und Isolatoren; oder in Solarzellen, die nach dem Prinzip der Photodiode Licht in elektrischen Strom umwandeln.

Treffen Lichtquanten auf eine Solarzelle, werden sie je nach Wellenlänge in den verschiedenen Zellenschichten absorbiert. Ist die Energie des absorbierten Photons groß genug, um ein Elektron aus dem Kristallgitter zu lösen und es auf einen höheren Ener­giezustand zu heben, entsteht ein Elektronen-Loch-Paar.

Was mit dem Elektronen-Loch-Paar weiter geschieht, hängt davon ab, ob es sich um

handelt.

Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium bestehen aus einer rund 10 Nanometer (ein Millionstel Millimeter) starken p-dotierten, einer rund 0,25-0,40 Mikrometer (ein Tausendstel Millimeter) dicken undotierten, intrinsischen und einer ebenfalls etwa 10 Nanometer dicken n-dotierten Schicht. Aus dem Schichtaufbau positiv – intrinisch – negativ leitet sich die Bezeichnung pin-Solarzelle ab.
In ihnen erstreckt sich die Raumladungszone über die gesamte Tiefe der intrinsischen Siliziumschicht, in der ein konstantes elektrisches Feld besteht. Dieses Feld trennt die durch den Lichteinfall erzeugten Elektronen-Loch-Paare: Die Elektronen fließen als Feldstrom zum Front- und die Löcher zum Rückseiten-Kontakt der Solarzelle. Wird ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, schließt sich der Stromkreis und Solarstrom fließt.

Kristalline Solarzellen bestehen hingegen aus einer rund hundert Nanometer dicken, hoch­dotierten n-Siliziumschicht (n+-Emitter) und einer ungefähr 150-200 Mikrometer dicken, weniger stark dotierten p-Schicht, der p-Basis. Die Verarmungszone kristalliner Solarzellen ist deshalb unsymmetrisch, sie reicht tiefer, ca. einen Mikrometer, in die p-Schicht hinein, füllt diese aber bei Weitem nicht aus.
Elektronen-Loch-Paare, die in der Raumladung­szone kristalliner Solarzellen entstehen, gehen denselben Weg wie in pin-Zellen. Sie werden durch das elektrische Feld getrennt und fließen zum jeweiligen Kontakt.
Elektronen, die außerhalb der Verarmungszone aus dem Kristallgitter geschlagen werden, können hingegen nur Solarstrom erzeugen, wenn sie nicht zu weit entfernt von der Sperrschicht entstehen. Sonst suchen sie sich wieder ein freies Loch – sie rekombinieren – und tragen nicht zur Solarstromerzeugung bei; sie haben durch den Umwandlungsprozess das Silizium-Kristall aber ein wenig erhitzt.

Das Maß für die mögliche Entfernung des Elektronen-Entstehungsorts zur Raumladungs­zone ist die Diffusionslänge einer Siliziumschicht, die beschreibt, welche Wegstrecke ein Elektron zurücklegt, ehe es rekombiniert. Bei Silizium liegt sie typischerweise zwischen 50 bis 500 Mikrometer.
Bei Wafer-Solarzellen ist es deshalb wichtig, dass durch eine hohe Kristallqualität des Siliziums eine möglichst große Diffusionslänge geschaffen wird. Denn je größer sie ist, desto höher ist die Zahl der Elektronen, die noch in die Raumladungszone gelangen können, desto geringer sind die Rekombinations-Verluste – und desto besser ist letztenendes die Solarstromausbeute, die man als PV-Anlagenbetreiber erwirtschaften kann.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung