Wie Forscher den Dunkelstrom eindämmen

Halbleiterelektronik mit Silizium

Eine Solarzelle ist eine Diode mit einem p-n-Kontakt. Bild vergrößern
Eine Solarzelle ist eine Diode mit einem p-n-Kontakt.

Silizium ist ein Halbleiter, also ein Zwischending zwischen einem Isolator und einem Leiter wie etwa Kupfer. In einer unbeleuchteten Solarzelle fließt im Dunkeln keinerlei Strom, wenn keine elektrische Spannung anliegt. Erst wenn Licht auf sie fällt, entsteht der gewünschte Photostrom, der ein Gleichstrom ist. Dabei baut sich eine Gleichspannung auf. Allerdings gibt es dann zusätzlich einen unerwünschten „Dunkelstrom“, lernt man von Breitenstein. Er fließt auch im Dunkeln, weil er unabhängig vom Licht entsteht.

Der finstere Name passt, denn der Dunkelstrom zieht als Missetäter den Wirkungsgrad herunter: Er fließt nämlich entgegengesetzt zum Photostrom. Nur die Differenz beider Ströme kann die Zelle als nutzbaren Sonnenstrom abgeben. Je kleiner der Dunkelstrom ist, desto effizienter arbeitet sie. Um zu verstehen, wie beide Stromsorten entstehen, muss man sich den Aufbau einer Solarzelle genauer anschauen: Sie ist eine flache, kachelgroße Diode. Bei mono- und multikristallinen Solarzellen ist sie rund 200 Mikrometer dünn – also ein Fünftel Millimeter oder grob zweimal so dick wie menschliches Haar. Dickere Solarzellen wären reine Materialverschwendung, denn tiefer können die Lichtquanten (Photonen) nicht in das Silizium-Material eindringen.

Dioden sind die einfachsten Bauelemente der Halbleiterelektronik. Sie bestehen aus zwei verschiedenen Materialien, die in Kontakt gebracht werden. Dieses Halbleitersandwich versieht man dann auf beiden Seiten mit Metallkontakten für den elektrischen Stromkreis. Bei einer Solarzelle ist der obere Metallkontakt als feines Gitter ausgebildet, damit durch dessen Lücken das Licht in die Zelle gelangen kann. Die beiden Halbleitermaterialien der Solarzelle unterscheiden sich wie bei jeder normalen Diode in ihren elektrischen Eigenschaften.

Zum Beispiel macht ein geringer Phosphorgehalt Silizium zum n-Material, etwas Bor zum p-Material. Das „n“ steht für einen Überschuss an elektrisch negativen Ladungsträgern, das „p“ für einen an positiven Ladungsträgern. Die negativen Ladungsträger sind frei bewegliche Elektronen. Etwas seltsamer sind die p-Ladungsträger: Sie sind Löcher im Kristallgitter der Atome, aus denen Elektronen freigesetzt wurden. Die Ladung eines Lochs ist das positive Gegenstück zur Ladung des Elektrons, weil dessen negative Ladung an dieser Stelle nun zur elektrischen Neutralität fehlt. Die Löcher können ebenfalls durch den Halbleiterkristall wandern. Dabei hüpfen Elektronen in die entgegengesetzte Richtung. Sie machen Plätze frei und schieben so die Leerstelle des Lochs immer weiter durch das Kristallgitter – wie umfallende Dominosteine.

Fremdatome bringen in das Kristallgitter von Silizium eine abweichende Elektronenzahl ein und machen das Silizium zum n- bzw. p-Material. Bild vergrößern
Fremdatome bringen in das Kristallgitter von Silizium eine abweichende Elektronenzahl ein und machen das Silizium zum n- bzw. p-Material.
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