Dotierung
Dotierung
Solarzelle auf Speed
Die Dotierung ist einer der zentralen Arbeitsschritte in der Herstellung der Solarzelle.
Der Begriff ist abgeleitet vom lateinischen dos, "Mitgift, Gabe" oder dotare, "Bereicherung". Und in der Tat handelt es sich um eine Bereicherung: Das Dotieren macht aus dem gereinigten und geschmolzenen Halbleiter jenes spannungsvolle Material, aus dem die Elektronen sich auf den Weg durch die Stromleitung machen.
Wie dies geschieht, das beschreibt dieser Beitrag.
Was ist Dotierung?
Die Dotierung bezeichnet das Anreichern einer Schicht des Halbleitermaterials (meist Silizium) durch Atome eines Fremdelements (wie z.B. Aluminium oder Phosphor).
Zum Vergrößern bitte anklicken!
Von Benutzer:Degreen,
CC-by-sa 2.0/de (Wikipedia).
Erst diese Anreicherung ist es, die aus dem, salopp gesprochen, besseren Quarzsand des Siliziums das stolze Material für die stromproduzierenden Hightech-Anwendungen in der Photovoltaik macht.
Ziel der Dotierung von Solarzellen ist es, durch Elektronenüberschuss bzw. Elektronenmangel die Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials zu beeinflussen.
Dabei genügt eine geringe Menge eingebrachter Fremdatome - in einem Bereich von 1 Teilchen pro 10.000 (100 ppm) bis zu 1 Teilchen pro 10 Millliarden (0,1 ppb) -, um sogenannte Störstellen im Halbleitermaterial zu bilden, die den jeweils gewünschten Effekt erzielen. Durch Dotierung der Solarzelle kann die Leitfähigkeit von Silizium um den Faktor 106 gesteigert werden.
Das Ergebnis: Die Solarzelle auf Speed.
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Dotierung Solarzelle
Bei der Solarzelle hat die Dotierung das Ziel, die Leitfähigkeit des Siliziums zu beeinflussen:
- in der sonnenzugewandten rezeptiven Schicht elektrisch negativ (n-Dotierung)
- und die Leitfähigkeit im Back Surface Field, der Rückseite der Solarzelle, elektrisch positiv (p-Dotierung)
Die Dotierung beruht darauf, dass im Kristall des Halbleiters die Atome mit jeweils 4 Außenelektronen miteinander verbunden sind (= das Material ist vierwertig).
Diese werden nun mit Elementen angereichert, die über 5 Elektronen ("fünfwertiges Material") oder nur 3 Elektronen ("dreiwertiges Material") verfügen.
Durch die Unter- bzw. Überzahl an Elektronen wird das Kristallgitter "gestört" - die zusätzlichen bzw. fehlenden Elektronen setzen mit sehr geringem Widerstand eine Bewegung von Elektronen in Gang - d.h.: Die Leitfähigkeit des Materials wird erhöht.
n-Dotierung der Solarzelle
Bei der n-Dotierung der Solarzelle wird die sonnenzugewandte n-Schicht des Halbleiters mit Fremdatomen angereichert, die fünf Außenelektronen besitzen (statt der vier des Halbleiters), - vorzugsweise sind dies Atome der Elemente
- Phosphor,
- Arsen
- oder Antimon.
Mit diesen fünfwertigen Atomen anstelle der vierwertigen des Ausgangsmaterials steht in der Kristallstruktur des Halbleiters ein zusätzliches, bewegliches Elektron zur Verfügung.
Wegen des zusätzlich "gegebenen" Elektrons werden diese Dotierungsmaterialien als Elektronen-Donatoren (lat.: "Geber") bezeichnet.
Wird nun eine elektrische Spannung angelegt, kann das zusätzliche, ungebundene Elektron als Strom fließen.
Dabei steht der ortsfesten, positiven Ladung des Donator-Atoms die bewegliche, negative Ladung des Elektrons gegenüber.
"n-Dotierung" bezeichnet also die zusätzlich implantierte negative Ladung in der n-Schicht auf der Oberfläche der Solarzelle.
Solarzelle auf Speed
Die Dotierung ist einer der zentralen Arbeitsschritte in der Herstellung der Solarzelle.
Der Begriff ist abgeleitet vom lateinischen dos, "Mitgift, Gabe" oder dotare, "Bereicherung". Und in der Tat handelt es sich um eine Bereicherung: Das Dotieren macht aus dem gereinigten und geschmolzenen Halbleiter jenes spannungsvolle Material, aus dem die Elektronen sich auf den Weg durch die Stromleitung machen.
Wie dies geschieht, das beschreibt dieser Beitrag.
Was ist Dotierung?
Die Dotierung bezeichnet das Anreichern einer Schicht des Halbleitermaterials (meist Silizium) durch Atome eines Fremdelements (wie z.B. Aluminium oder Phosphor).
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CC-by-sa 2.0/de (Wikipedia).
Erst diese Anreicherung ist es, die aus dem, salopp gesprochen, besseren Quarzsand des Siliziums das stolze Material für die stromproduzierenden Hightech-Anwendungen in der Photovoltaik macht.
Ziel der Dotierung von Solarzellen ist es, durch Elektronenüberschuss bzw. Elektronenmangel die Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials zu beeinflussen.
Dabei genügt eine geringe Menge eingebrachter Fremdatome - in einem Bereich von 1 Teilchen pro 10.000 (100 ppm) bis zu 1 Teilchen pro 10 Millliarden (0,1 ppb) -, um sogenannte Störstellen im Halbleitermaterial zu bilden, die den jeweils gewünschten Effekt erzielen. Durch Dotierung der Solarzelle kann die Leitfähigkeit von Silizium um den Faktor 106 gesteigert werden.
Das Ergebnis: Die Solarzelle auf Speed.
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Dotierung Solarzelle
Bei der Solarzelle hat die Dotierung das Ziel, die Leitfähigkeit des Siliziums zu beeinflussen:
- in der sonnenzugewandten rezeptiven Schicht elektrisch negativ (n-Dotierung)
- und die Leitfähigkeit im Back Surface Field, der Rückseite der Solarzelle, elektrisch positiv (p-Dotierung)
Die Dotierung beruht darauf, dass im Kristall des Halbleiters die Atome mit jeweils 4 Außenelektronen miteinander verbunden sind (= das Material ist vierwertig).
Diese werden nun mit Elementen angereichert, die über 5 Elektronen ("fünfwertiges Material") oder nur 3 Elektronen ("dreiwertiges Material") verfügen.
Durch die Unter- bzw. Überzahl an Elektronen wird das Kristallgitter "gestört" - die zusätzlichen bzw. fehlenden Elektronen setzen mit sehr geringem Widerstand eine Bewegung von Elektronen in Gang - d.h.: Die Leitfähigkeit des Materials wird erhöht.
n-Dotierung der Solarzelle
Bei der n-Dotierung der Solarzelle wird die sonnenzugewandte n-Schicht des Halbleiters mit Fremdatomen angereichert, die fünf Außenelektronen besitzen (statt der vier des Halbleiters), - vorzugsweise sind dies Atome der Elemente
- Phosphor,
- Arsen
- oder Antimon.
Mit diesen fünfwertigen Atomen anstelle der vierwertigen des Ausgangsmaterials steht in der Kristallstruktur des Halbleiters ein zusätzliches, bewegliches Elektron zur Verfügung.
Wegen des zusätzlich "gegebenen" Elektrons werden diese Dotierungsmaterialien als Elektronen-Donatoren (lat.: "Geber") bezeichnet.
Wird nun eine elektrische Spannung angelegt, kann das zusätzliche, ungebundene Elektron als Strom fließen.
Dabei steht der ortsfesten, positiven Ladung des Donator-Atoms die bewegliche, negative Ladung des Elektrons gegenüber.
"n-Dotierung" bezeichnet also die zusätzlich implantierte negative Ladung in der n-Schicht auf der Oberfläche der Solarzelle.
Solarzelle auf Speed
Die Dotierung ist einer der zentralen Arbeitsschritte in der Herstellung der Solarzelle.
Der Begriff ist abgeleitet vom lateinischen dos, "Mitgift, Gabe" oder dotare, "Bereicherung". Und in der Tat handelt es sich um eine Bereicherung: Das Dotieren macht aus dem gereinigten und geschmolzenen Halbleiter jenes spannungsvolle Material, aus dem die Elektronen sich auf den Weg durch die Stromleitung machen.
Wie dies geschieht, das beschreibt dieser Beitrag.
Was ist Dotierung?
Die Dotierung bezeichnet das Anreichern einer Schicht des Halbleitermaterials (meist Silizium) durch Atome eines Fremdelements (wie z.B. Aluminium oder Phosphor).
Zum Vergrößern bitte anklicken!
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CC-by-sa 2.0/de (Wikipedia).
Erst diese Anreicherung ist es, die aus dem, salopp gesprochen, besseren Quarzsand des Siliziums das stolze Material für die stromproduzierenden Hightech-Anwendungen in der Photovoltaik macht.
Ziel der Dotierung von Solarzellen ist es, durch Elektronenüberschuss bzw. Elektronenmangel die Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials zu beeinflussen.
Dabei genügt eine geringe Menge eingebrachter Fremdatome - in einem Bereich von 1 Teilchen pro 10.000 (100 ppm) bis zu 1 Teilchen pro 10 Millliarden (0,1 ppb) -, um sogenannte Störstellen im Halbleitermaterial zu bilden, die den jeweils gewünschten Effekt erzielen. Durch Dotierung der Solarzelle kann die Leitfähigkeit von Silizium um den Faktor 106 gesteigert werden.
Das Ergebnis: Die Solarzelle auf Speed.
Jetzt PV-Anlage mit dotierten Solarzellen für Ihr Dach durchrechnen:
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Dotierung Solarzelle
Bei der Solarzelle hat die Dotierung das Ziel, die Leitfähigkeit des Siliziums zu beeinflussen:
- in der sonnenzugewandten rezeptiven Schicht elektrisch negativ (n-Dotierung)
- und die Leitfähigkeit im Back Surface Field, der Rückseite der Solarzelle, elektrisch positiv (p-Dotierung)
Die Dotierung beruht darauf, dass im Kristall des Halbleiters die Atome mit jeweils 4 Außenelektronen miteinander verbunden sind (= das Material ist vierwertig).
Diese werden nun mit Elementen angereichert, die über 5 Elektronen ("fünfwertiges Material") oder nur 3 Elektronen ("dreiwertiges Material") verfügen.
Durch die Unter- bzw. Überzahl an Elektronen wird das Kristallgitter "gestört" - die zusätzlichen bzw. fehlenden Elektronen setzen mit sehr geringem Widerstand eine Bewegung von Elektronen in Gang - d.h.: Die Leitfähigkeit des Materials wird erhöht.
n-Dotierung der Solarzelle
Bei der n-Dotierung der Solarzelle wird die sonnenzugewandte n-Schicht des Halbleiters mit Fremdatomen angereichert, die fünf Außenelektronen besitzen (statt der vier des Halbleiters), - vorzugsweise sind dies Atome der Elemente
- Phosphor,
- Arsen
- oder Antimon.
Mit diesen fünfwertigen Atomen anstelle der vierwertigen des Ausgangsmaterials steht in der Kristallstruktur des Halbleiters ein zusätzliches, bewegliches Elektron zur Verfügung.
Wegen des zusätzlich "gegebenen" Elektrons werden diese Dotierungsmaterialien als Elektronen-Donatoren (lat.: "Geber") bezeichnet.
Wird nun eine elektrische Spannung angelegt, kann das zusätzliche, ungebundene Elektron als Strom fließen.
Dabei steht der ortsfesten, positiven Ladung des Donator-Atoms die bewegliche, negative Ladung des Elektrons gegenüber.
"n-Dotierung" bezeichnet also die zusätzlich implantierte negative Ladung in der n-Schicht auf der Oberfläche der Solarzelle.
p-Dotierung Solarzelle
Die p-Dotierung funktioniert spiegelverkehrt zur n-Dotierung. Bei der p-Dotierung werden auf der sonnenabgewandten Seite - der p-Schicht - solche Fremdatome eingebracht, die an Stelle der vier Außenelektronen des Ausgangsmaterials nur drei Außenelektronen besitzen.
Hier werden bevorzugt diese Elemente eingesetzt:
- Aluminium,
- Bor,
- Indium
- oder Gallium
Im Gegensatz zum vierwerten Halbleitermaterial stehen in den eingebrachten, dreiwertigen Materialien nur drei Elektronen für Atombindungen zur Verfügung.
Zur Vervollständigung der atomaren Bindungen innerhalb des Kristallgitters "fehlt" ein Elektron, es entsteht ein Loch in der Kristallstruktur (ein so genanntes Defektelektron).
Diese Leerstelle ist positiv geladen - wird nun eine Spannung angelegt, kann dieses positiv geladene Loch ein negativ geladenes Elektron aufnehmen.
Wegen des zusätzlich aufgenommenen Elektrons werden diese Dotierungsmaterialien als Elektronen-Akzeptoren (lat.: "Nehmer") bezeichnet.
Die p-Dotierung erfolgt der Einfachheit halber gleich bei der Herstellung des Ausgangsmaterials der kristallinen Solarzelle, dem Siliziumbarren bzw. Ingot.
Aus den Ingots werden dann die wenige Zehntel-Millimeter dicken Sliziumscheiben, die Wafer, gesägt, die man zu Solarzellen weiterverarbeitet.
Durch die elektrische Spannung angeregt, springt an anderer Stelle ein bewegliches, negativ geladenes Elektron aus seiner ursprünglichen Atombindung heraus, füllt das Loch auf, hinterlässt dabei aber an seiner Ursprungsstelle wiederum ein Loch mit demselben Schicksal: Ein negatives Elektron füllt es auf, hinterlässt wiederum ein Loch usw. - Elektronenfluss entsteht, das heißt: Strom fließt.
Dabei steht der ortsfesten negativen Ladung des Akzeptor-Atoms die bewegliche, positive Ladung des Lochs gegenüber. "p-Dotierung" bezeichnet also die zusätzlich eingebrachte positive Ladung in der p-Schicht auf der Rückseite der Solarzelle.
Löcher und Elektronen bewegen sich dabei jeweils in Gegenrichtung.
Dotierungsgrade
Dotierungen von Solarzellen werden in unterschiedlichen Grade unterteilt. Dabei werden starke, mittlere und schwache Dotierungen mit den folgenden Symbolen unterschieden.
- Starke Dotierung der Solarzelle: n+ bzw. p+,
- mittlere Dotierung der Solarzelle: n bzw. p
- und schwache Dotierung der Solarzelle: n– bzw. p–.
Die Dotierung der p-Schicht, z.B. mit Aluminium, ist in der Regel eine p+-, d.h. eine starke Dotierung.
Das Back Surface Field - die Versiegelung der Solarzelle zum Zwecke der Effizienzsteigerung - ist sogar eine p++-Dotierung.
p-Dotierung Solarzelle
Die p-Dotierung funktioniert spiegelverkehrt zur n-Dotierung. Bei der p-Dotierung werden auf der sonnenabgewandten Seite - der p-Schicht - solche Fremdatome eingebracht, die an Stelle der vier Außenelektronen des Ausgangsmaterials nur drei Außenelektronen besitzen.
Hier werden bevorzugt diese Elemente eingesetzt:
- Aluminium,
- Bor,
- Indium
- oder Gallium
Im Gegensatz zum vierwerten Halbleitermaterial stehen in den eingebrachten, dreiwertigen Materialien nur drei Elektronen für Atombindungen zur Verfügung.
Zur Vervollständigung der atomaren Bindungen innerhalb des Kristallgitters "fehlt" ein Elektron, es entsteht ein Loch in der Kristallstruktur (ein so genanntes Defektelektron).
Diese Leerstelle ist positiv geladen - wird nun eine Spannung angelegt, kann dieses positiv geladene Loch ein negativ geladenes Elektron aufnehmen.
Wegen des zusätzlich aufgenommenen Elektrons werden diese Dotierungsmaterialien als Elektronen-Akzeptoren (lat.: "Nehmer") bezeichnet.
Die p-Dotierung erfolgt der Einfachheit halber gleich bei der Herstellung des Ausgangsmaterials der kristallinen Solarzelle, dem Siliziumbarren bzw. Ingot.
Aus den Ingots werden dann die wenige Zehntel-Millimeter dicken Sliziumscheiben, die Wafer, gesägt, die man zu Solarzellen weiterverarbeitet.
Durch die elektrische Spannung angeregt, springt an anderer Stelle ein bewegliches, negativ geladenes Elektron aus seiner ursprünglichen Atombindung heraus, füllt das Loch auf, hinterlässt dabei aber an seiner Ursprungsstelle wiederum ein Loch mit demselben Schicksal: Ein negatives Elektron füllt es auf, hinterlässt wiederum ein Loch usw. - Elektronenfluss entsteht, das heißt: Strom fließt.
Dabei steht der ortsfesten negativen Ladung des Akzeptor-Atoms die bewegliche, positive Ladung des Lochs gegenüber. "p-Dotierung" bezeichnet also die zusätzlich eingebrachte positive Ladung in der p-Schicht auf der Rückseite der Solarzelle.
Löcher und Elektronen bewegen sich dabei jeweils in Gegenrichtung.
Dotierungsgrade
Dotierungen von Solarzellen werden in unterschiedlichen Grade unterteilt. Dabei werden starke, mittlere und schwache Dotierungen mit den folgenden Symbolen unterschieden.
- Starke Dotierung der Solarzelle: n+ bzw. p+,
- mittlere Dotierung der Solarzelle: n bzw. p
- und schwache Dotierung der Solarzelle: n– bzw. p–.
Die Dotierung der p-Schicht, z.B. mit Aluminium, ist in der Regel eine p+-, d.h. eine starke Dotierung.
Das Back Surface Field - die Versiegelung der Solarzelle zum Zwecke der Effizienzsteigerung - ist sogar eine p++-Dotierung.
p-Dotierung Solarzelle
Die p-Dotierung funktioniert spiegelverkehrt zur n-Dotierung. Bei der p-Dotierung werden auf der sonnenabgewandten Seite - der p-Schicht - solche Fremdatome eingebracht, die an Stelle der vier Außenelektronen des Ausgangsmaterials nur drei Außenelektronen besitzen.
Hier werden bevorzugt diese Elemente eingesetzt:
- Aluminium,
- Bor,
- Indium
- oder Gallium
Im Gegensatz zum vierwerten Halbleitermaterial stehen in den eingebrachten, dreiwertigen Materialien nur drei Elektronen für Atombindungen zur Verfügung.
Zur Vervollständigung der atomaren Bindungen innerhalb des Kristallgitters "fehlt" ein Elektron, es entsteht ein Loch in der Kristallstruktur (ein so genanntes Defektelektron).
Diese Leerstelle ist positiv geladen - wird nun eine Spannung angelegt, kann dieses positiv geladene Loch ein negativ geladenes Elektron aufnehmen.
Wegen des zusätzlich aufgenommenen Elektrons werden diese Dotierungsmaterialien als Elektronen-Akzeptoren (lat.: "Nehmer") bezeichnet.
Die p-Dotierung erfolgt der Einfachheit halber gleich bei der Herstellung des Ausgangsmaterials der kristallinen Solarzelle, dem Siliziumbarren bzw. Ingot.
Aus den Ingots werden dann die wenige Zehntel-Millimeter dicken Sliziumscheiben, die Wafer, gesägt, die man zu Solarzellen weiterverarbeitet.
Durch die elektrische Spannung angeregt, springt an anderer Stelle ein bewegliches, negativ geladenes Elektron aus seiner ursprünglichen Atombindung heraus, füllt das Loch auf, hinterlässt dabei aber an seiner Ursprungsstelle wiederum ein Loch mit demselben Schicksal: Ein negatives Elektron füllt es auf, hinterlässt wiederum ein Loch usw. - Elektronenfluss entsteht, das heißt: Strom fließt.
Dabei steht der ortsfesten negativen Ladung des Akzeptor-Atoms die bewegliche, positive Ladung des Lochs gegenüber. "p-Dotierung" bezeichnet also die zusätzlich eingebrachte positive Ladung in der p-Schicht auf der Rückseite der Solarzelle.
Löcher und Elektronen bewegen sich dabei jeweils in Gegenrichtung.
Dotierungsgrade
Dotierungen von Solarzellen werden in unterschiedlichen Grade unterteilt. Dabei werden starke, mittlere und schwache Dotierungen mit den folgenden Symbolen unterschieden.
- Starke Dotierung der Solarzelle: n+ bzw. p+,
- mittlere Dotierung der Solarzelle: n bzw. p
- und schwache Dotierung der Solarzelle: n– bzw. p–.
Die Dotierung der p-Schicht, z.B. mit Aluminium, ist in der Regel eine p+-, d.h. eine starke Dotierung.
Das Back Surface Field - die Versiegelung der Solarzelle zum Zwecke der Effizienzsteigerung - ist sogar eine p++-Dotierung.