Mit welcher Magie wird aus „Silizium“ eine „Solarzelle“?

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Zhang Junda

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Unter erneuerbarer Energie versteht man Energie, die in einem bestimmten Rahmen wiederverwendet werden kann. Mit anderen Worten: Solange die Erde und die Sonne nicht untergehen, sind erneuerbare Energiequellen wie Windenergie, Geothermie und Solarenergie unerschöpflich. Nehmen wir zum Beispiel Solarenergie. Die Erde absorbiert 173.000 Terawatt Sonnenenergie, das ist das 10.000-fache der gesamten von Menschen auf der Erde verbrauchten Energie.

Wir können nicht anders, als uns zu fragen: Wird es der menschlichen Gesellschaft eines Tages möglich sein, vollständig mit Solarenergie zu leben?

Tatsächlich hat man schon lange ein Auge auf die Solarenergie geworfen und versucht, sie in direkt nutzbaren Strom umzuwandeln. Die dümmste Methode besteht darin, das Wasser mit Sonnenlicht zum Kochen zu bringen und dann den Dampf des kochenden Wassers zur Stromerzeugung zu verwenden. Allerdings geht jede Energieumwandlung zwangsläufig mit einem Verbrauch einher und die Methode des Wasserabkochens ist nicht sehr effizient. Daher haben sich die Menschen viele Gedanken darüber gemacht: Wie kann man Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandeln?

Der Mann, der diese Idee erstmals in die Tat umsetzte, war Edmond Becquerel.

Edmond Becquerel (Bildquelle: Wikipedia)

Eines Tages im Jahr 1839 entdeckte Edmund, der die Phosphoreszenz erforschte, etwas Unglaubliches. Er gab Silberchlorid in eine Säurelösung, verband zwei Platinelektroden miteinander und brachte es dann zur Sonne. Als Ergebnis stellte er fest, dass zwischen den beiden Elektroden eine Spannung herrschte!

Damals kannte man das Prinzip dieses Phänomens noch nicht. Sie wussten nur, dass Licht elektrisches Potenzial erzeugen kann, daher nannten sie dieses Phänomen den Photovoltaik-Effekt oder kurz Photovoltaik-Effekt. Heutige Solarzellen nutzen grundsätzlich den Photovoltaikeffekt, daher werden Solarzellen auch als Solar-Photovoltaikzellen bezeichnet.

Die derzeit am häufigsten verwendeten Photovoltaikzellen bestehen hauptsächlich aus Halbleitermaterialien wie Silizium. Wie also nutzt man Halbleiter und den Photovoltaikeffekt zur Herstellung von Solarzellen?

Die Grundlage von allem: Atomare Bandstruktur

Einfach ausgedrückt bezieht sich Energieband auf die verschiedenen Bereiche, in die wir Elektronen entsprechend ihrer Energie aufteilen. Wir alle wissen, dass der Atomkern positiv geladen ist und daher negativ geladene Elektronen anzieht. Je näher die Elektronen am Atomkern sind, desto stärker ist ihre Bindung. Wenn wir nun das Atom spalten, sinkt der Kern nach unten und die Elektronen kommen oben an.

In diesem Fall können wir die Elektronen in zwei aktive Bereiche unterteilen: Der eine ist der Bereich näher am Kern, wo die Elektronen stark angezogen werden, den wir das Valenzband nennen. Der zweite ist der Bereich weit entfernt vom Zellkern. Die Elektronen werden hier nicht reguliert und sind relativ frei. Wenn ein externes elektrisches Feld vorhanden ist, das diese Elektronen bewegt, leitet das Material Elektrizität. Wir nennen diesen Bereich das Leitungsband.

Zusätzlich zu diesen beiden Bereichen gibt es einen weiteren Bereich oberhalb des Valenzbandes und unterhalb des Leitungsbandes, in dem die Existenz von Elektronen nicht zulässig ist. Wir nennen es die verbotene Band.

Die Energiebandstruktur eines Atoms (Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Dies ist die grundlegende Energiebandstruktur von Atomen, aber es gibt einige Details, auf die wir achten müssen: Erstens kann das Energieband weiter in verschiedene Energieniveaus unterteilt werden, und aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips kann jedes Energieniveau nur zwei Elektronen aufnehmen. Zweitens haben die meisten Atome nicht so viele Elektronen, und selbst das Valenzband ist nicht voll, und im Leitungsband gibt es keine Elektronen. Darüber hinaus sind die Elektronen im Valenzband nicht ehrlich. Sie können „vom Kurs abkommen“, das heißt, das verbotene Band überschreiten und zum Leitungsband eilen. Natürlich nennen wir diesen Prozess Übergang, und ein Übergang absorbiert Energie.

Angesichts dieser drei Einzelheiten haben einige Leser vielleicht schon vermutet, dass es in der Welt der selbsterhitzenden Materialien zwei völlig unterschiedliche Materialien gibt: Das eine hat eine sehr schmale Bandlücke oder überhaupt keine Bandlücke, und bei Zimmertemperatur können seine äußeren Elektronen im Valenzband leicht in das Leitungsband springen, was ein Leiter ist. Ist dagegen die Bandlücke des Materials sehr groß, im Allgemeinen größer als drei Elektronenvolt (3 eV), und bleiben die Elektronen bei Raumtemperatur im Valenzband, kann es keinen Strom leiten und ist ein Isolator.

Die Bandstruktur verschiedener Festkörper (Bildquelle: Wikipedia)

"Language" Halbleiter

Gibt es ein Material mit einer Energielücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband von weniger als 3 eV? Ja, das ist ein Halbleiter, normalerweise ein Material mit elektrischer Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren.

Der Wert eines Halbleiters zeigt sich jedoch nicht in seiner Fähigkeit, Strom zu leiten, sondern in seiner Fähigkeit, „nach links und rechts zu springen“. Die Leitfähigkeitseigenschaften von Halbleitern können durch äußere Einflüsse leicht verändert werden. Später werden wir sehen, wie der Photovoltaikeffekt die Leitfähigkeit von Halbleitern verändert. Als nächstes werden wir Siliziumatome als Beispiel nehmen, um die Geheimnisse im Inneren von Halbleitern zu erforschen.

1. Struktur des intrinsischen Halbleiters

Halbleiter ohne jegliche Verunreinigungen, wie reines Silizium und reines Germanium, werden als intrinsische Halbleiter bezeichnet. Schauen wir uns das Siliziumatom an. Es hat 14 Elektronen und seine Elektronenkonfiguration ist 2-8-4, mit 4 Elektronen in der äußersten Schicht. Die Eigenschaften eines Elements werden hauptsächlich durch seine äußersten Elektronen bestimmt. Die äußersten Elektronen des Siliziums haben folgende Tendenz: Entweder sie finden vier weitere Elektronen, um vier Paare zu bilden, oder sie werfen alle vier Elektronen weg.

Siliziumatom (Bildquelle: vom Autor erstellt)

In einem Siliziumkristall hat jedes Siliziumatom oben, unten, links und rechts ein benachbartes Siliziumatom. Silizium verfügt zufällig über vier Elektronen in seiner äußersten Schicht und teilt diese Elektronen daher mit seinen benachbarten Siliziumatomen, sodass jedes Siliziumatom in seiner äußersten Schicht insgesamt 8 Elektronen hat. Perfekt!

Kovalente Bindung im Siliziumkristall (Bildquelle: vom Autor erstellt)

2. Struktur des Störstellenhalbleiters

Was wäre anders, wenn wir einen intrinsischen Halbleiter mit einigen Verunreinigungen dotieren würden? Wenn beispielsweise eines der Siliziumatome durch ein Phosphoratom ersetzt wird, hat das Phosphoratom 15 Elektronen und die Anordnung ist 2-8-5. In der äußersten Schicht befinden sich 5 Elektronen. Nachdem es zusammen mit dem benachbarten Siliziumatom 8 Elektronen besitzt, bleibt noch ein zusätzliches Elektron übrig. Auf diese Weise entsteht für jedes hinzugefügte Phosphoratom ein Elektron, das nirgendwo hin kann, und wenn zu viele hinzugefügt werden, entsteht eine „Armee einzelner Elektronen“. Wir nennen solche Halbleiter N-Typ-Halbleiter, N (Negativ) bedeutet, dass Elektronen negativ geladen sind.

N-Typ-Halbleiter (Bildquelle: vom Autor erstellt)

Wenn wir dagegen Boratome hinzufügen, hat es 5 Elektronen und 3 in der äußersten Schicht. Das Boratom und die umgebenden Siliziumatome können zusammen nur 7 Elektronen aufnehmen. Diesen sieben Elektronen fehlt noch ein Elektron zur Bildung einer stabilen Struktur, daher entsteht hier ein „Loch“. Wir nennen es einen P-Typ-Halbleiter, wobei P (positiv) bedeutet, dass Löcher positiv geladenen Teilchen entsprechen können.

P-Typ-Halbleiter (Bildquelle: vom Autor erstellt)

3. Warum leiten Halbleiter Strom?

Wie bereits erwähnt, verfügen Fremdkörperhalbleiter über frei bewegliche Ladungen und können auf natürliche Weise Elektrizität leiten. Woher kommen also die freien Ladungen, die intrinsische Halbleiter leitfähig machen?

Tatsächlich können intrinsische Halbleiter unter idealen Bedingungen (d. h. beim absoluten Nullpunkt) keinen Strom leiten und alle Valenzelektronen sind an kovalente Bindungen gebunden. Die allgemeine Anwendung von Halbleitern erfolgt jedoch bei Raumtemperatur. Zu diesem Zeitpunkt regt der Halbleiter aufgrund der thermischen Bewegung automatisch ein Paar Defektelektronen an.

Intrinsische Erregung (Bildquelle: Eigenanfertigung des Autors)

In beiden Fremdstoffhalbleitern gibt es natürlich intrinsische Anregungen. Das heißt, auch in N-Typ-Halbleitern gibt es Löcher, allerdings ist ihre Zahl geringer als die der freien Elektronen. Von diesen beiden Trägertypen werden die zahlreicheren als Mehrheitsträger und die weniger zahlreichen als Minderheitsträger bezeichnet. Bei P-Typ-Halbleitern ist das Gegenteil der Fall.

Kombination aus N-Typ- und P-Typ-Halbleitern: PN-Übergang mit „in sich geschlossenem elektrischen Feld“

Was passiert, wenn wir zwei Fremdstoffhalbleiter verbinden?

N-Typ-Halbleiter haben mehr Elektronen und weniger Löcher, während P-Typ-Halbleiter mehr Löcher und weniger Elektronen haben. Dies ist ein bisschen wie das Mischen zweier verschiedener Lösungen. Die Mehrheit der Elektronen auf dieser Seite möchte auf die andere Seite laufen, und die Mehrheit der Löcher auf der anderen Seite möchte auf diese Seite laufen. Dieses Verhalten wird als Mehrheitsträgerdiffusion bezeichnet, Probleme treten jedoch bereits zu Beginn dieser Diffusion auf. Ich weiß nicht, ob Sie jemals das Spiel „Stick Bark“ gespielt haben. Zwei Personen müssen innerhalb einer vorgegebenen Zeit zusammen „kleben“. Wenn die Zeit abgelaufen ist, scheidet die Person aus, die nicht zusammengehalten hat.

Dasselbe gilt für Elektronen und Löcher. Sie können sich nicht weit weg bewegen, anstatt sich zu nähern, daher bleiben die Mehrheitsträger an der Verbindungsstelle zweier Fremdstoffhalbleiter oft direkt aneinander „kleben“. Bedenken Sie, dass unsere beiden Halbleiter mit Atomen dotiert sind und insgesamt elektrisch neutral sind. Wir haben nur die freien Elektronen und Löcher im Leitungsband gezeichnet, und darunter befinden sich auch Atomkerne und Elektronen der inneren Schalen. Nachdem die Elektronen entwichen sind bzw. die Löcher gefüllt wurden, weisen diese beiden Bereiche elektrische Eigenschaften auf. Ein N-Typ-Halbleiter, der Elektronen verliert, wird positiv geladen, während ein P-Typ-Halbleiter, der Löcher verliert, negativ geladen wird. Diese Struktur wird als PN-Übergang bezeichnet.

Klingt das ein bisschen schwindelig? Das folgende schematische Diagramm kann Ihnen helfen, den Bildungsprozess der PN-Verbindung intuitiv zu verstehen.

PN-Übergang (Bildquelle: Wikipedia)

Nachdem der PN-Übergang gebildet wurde, weisen seine beiden Enden unterschiedliche elektrische Eigenschaften auf und bilden so ein elektrisches Feld, das von N nach P zeigt. Dieses elektrische Feld entsteht spontan, wir können es ein selbst aufgebautes elektrisches Feld nennen. Werfen wir nun einen Blick auf die Situation der Minderheitsbetreiber. Die elektrischen Eigenschaften von Minoritätsträgern und Majoritätsträgern sind entgegengesetzt. Da das selbst aufgebaute elektrische Feld die Diffusion der Mehrheitsladungsträger behindert, fördert es tatsächlich die Bewegung der Minderheitsladungsträger auf die entgegengesetzte Seite. Dieser Vorgang wird als Minoritätsträgerdrift bezeichnet. Wenn die Diffusion der Mehrheitsträger und die Drift der Minderheitsträger ein dynamisches Gleichgewicht erreichen, ist der PN-Übergang stabil gebildet.

Nach vielen Vorbereitungsschritten wissen wir, warum Silizium als Halbleiter bezeichnet wird und warum durch das Verbinden zweier Halbleiter eine Struktur mit einem eigenen elektrischen Feld entstehen kann – der PN-Übergang. Die Vorbereitung ist abgeschlossen, es ist Zeit, dass der Photovoltaik-Effekt zum Tragen kommt!

Der letzte wichtige Schritt: Licht auf die PN-Verbindung werfen

Was passiert, wenn Sonnenlicht auf die PN-Verbindung trifft? Das stimmt, es ist der Photovoltaikeffekt. Die Rolle des Photovoltaikeffekts besteht darin, die Valenzbandelektronen, die bereits Paare gebildet haben, erneut „in Versuchung zu führen“ und sie erneut zu Elektronen-Loch-Paaren zu bewegen. Das Wesentliche besteht darin, dass die zuvor erwähnten Valenzbandelektronen die Energie des Lichts absorbieren, ihre Energie höher wird und sie in das Leitungsband springen.

Photovoltaik-Effekt (Bildquelle: Eigenproduktion des Autors)

Diese Elektronenlöcher werden unter dem Einfluss des selbst aufgebauten elektrischen Felds nach beiden Seiten geschleudert und bilden ein elektrisches Feld, das von P nach N zeigt. Dies ist das photogenerierte elektrische Feld und seine Richtung ist dem selbst aufgebauten elektrischen Feld entgegengesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein externer Schaltkreis angeschlossen und aufgrund der vorhandenen Potenzialdifferenz wird im Schaltkreis Strom erzeugt! An diesem Punkt haben wir die Aufgabe abgeschlossen, Lichtenergie durch den Photovoltaikeffekt und Halbleiter in elektrische Energie umzuwandeln.

Im Inneren einer Photovoltaikzelle (Bildquelle: Eigenbau des Autors)

Die Entwicklung von Photovoltaikzellen hat fast einhundert Jahre gedauert, und die in diesem Artikel aufgeführten Photovoltaikzellen auf Basis anorganischer Halbleiter sind der ausgereifteste Typ. Darüber hinaus gibt es einige Photovoltaikzellen auf Basis organischer Halbleitermaterialien, wie etwa Farbstoffsolarzellen und einige Perowskit-Solarzellen. Ob organisch oder anorganisch, die Grundprinzipien dieser Photovoltaikzellen sind untrennbar mit den verschiedenen Halbleitertheorien verbunden, die wir vorgestellt haben.

Obwohl Photovoltaikzellen, die auf diesen Theorien und Materialien basieren, ihre Grenzen noch nicht erreicht haben, beträgt der theoretische Gesamtwirkungsgrad lediglich 30 %, und der tatsächliche Wirkungsgrad erreicht den theoretischen Wert nur schwer. Einige Forscher haben begonnen, Photovoltaikzellen auf der Grundlage neuer Funktionsprinzipien zu erforschen, wie etwa Trägersolarzellen, Verunreinigungsphotovoltaikzellen usw. Sie hoffen, den Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung auf 60 % oder sogar mehr steigern zu können. Wir haben stets großes Vertrauen in die noch junge Photovoltaikbranche. Es könnte für die Menschheit eine wichtige Option zur Lösung zukünftiger Energieprobleme sein.

Quellen:

[1] Huang Haibin et al. Photovoltaikphysik und Solarzellentechnologie[M]. Peking: Science Press, 2019