Eine Solarzelle wandelt Licht direkt in elektrischen Strom. Am meisten verbreitet sind Silizium-Solarzellen – sie bestehen also aus einem Halbleiter-Material. In einem Halbleiter gibt es eine Lücke zwischen den besetzten Elektronen-Niveaus der Atome (Valenzband) und dem nächsthöheren Niveau, dem sogenannten Leitungsband.

Die Lücke ist aber nicht gross. Ein Elektron kann durch einen kleinen Schubs ins Leitungsband gehoben werden – etwas Wärme reicht. Während also ein kalter Halbleiter, auf den absoluten Nullpunkt (0 °K) heruntergekühlt, noch keinen Strom leitet, weil alle Elektronen gebunden sind, erhöht sich die Leitfähigkeit, je wärmer er wird. Es werden immer mehr Elektronen ins Leitungsband gehoben.

Photonen heben Elektronen

Bei Raumtemperatur sind Halbleiter schlechte Leiter. Das Sonnenlicht kann nun aber ebenfalls Elektronen ins Leitungsband heben. Es entstehen Paare von Elektronen (im Leitungsband) und Löchern (im Valenzband).

Normalerweise rekombinieren diese Paare nach einer gewissen Zeit und es entsteht lediglich Wärme. Mit einem Trick kann aber Strom generiert werden: Durch elektrisch unterschiedlich geladene Atomrümpfe wird eine Raumladungszone gebildet, worin die Elektronen «abgesaugt» werden.

Eine Raumladungszone entsteht, wenn ein Halbleiter dotiert wird. Es werden Fremdatome ins Kristallgitter eingefügt, die entweder ein Elektron mehr oder eines weniger besitzen. Dadurch ergeben sich zum Beispiel im n-dotierten Silizium zusätzliche, bewegliche Elektronen.

Im p-dotierten Silizium gibt es zusätzliche Löcher. Fügt man nun p- und n-dotiertes Silizium zusammen, entsteht die Raumladungszone: Weil es auf der n-dotierten Seite viel mehr Elektronen hat, diffundieren diese auf die p-dotierte Seite, wo sie mit den Löchern rekombinieren.

Das führt aber auch dazu, dass die Atomrümpfe auf der n-Seite nun positiv geladen sind (auf der p-Seite negativ). Dieses elektrische Feld verhindert, dass noch mehr Elektronen diffundieren.

Elektronen werden abgesogen

Im Bereich der Raumladungszone gibt es keine freien Ladungsträger. Alle Elektronen haben mit den Löchern rekombiniert. Jedes Elektron aber, das nun zusätzlich vom Sonnenlicht ins Leitungsband gehoben wird, generiert einen kleinen Strom: Es wird von den positiven Atomrümpfen angezogen. Werden die n- und p-Seiten elektrisch angeschlossen, fliesst ein Strom.

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