Wie Forscher den Dunkelstrom eindämmen

Wenn Elektronen in Löcher fallen

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Trifft nun ein Photon aus dem Sonnenlicht auf die Solarzelle, so dringt es in deren Halbleiterschichten ein, bis es genau auf ein Elektron trifft. Mit seiner Energie schlägt es das Elektron aus dem Kristallgitter heraus und erzeugt damit ein zusätzliches Loch. Damit stehen ein negativer und ein positiver Ladungsträger für den Photostrom zur Verfügung. Beide fließen in entgegengesetzte Richtungen. Allerdings zieht es die freien Elektronen zu den Löchern, sie drohen in diese wieder hinein zu fallen. Passiert das, dann sind zwei Ladungsträger für den Photostrom verloren. Die Energie des Lichtquants „verpufft“ am Ende als nutzlose Wärmeenergie im Kristall. Diese unerwünschte „Rekombination“ der wertvollen Ladungsträger muss die Solarzelle also verhindern. Und dafür sorgt die Diodenstruktur.

Erzeugt man bei der Herstellung einer Diode auf dem p-Silizium eine Schicht n-Silizium oder umgekehrt, dann passiert an dem neuen p-n-Kontakt Folgendes: Aus dem p-Gebiet nahe der Kontaktfläche zieht es Löcher ins n-Gebiet mit seinem attraktiven Elektronenüberschuss, umgekehrt wandern aus dem benachbarten n-Gebiet Elektronen ins p-Gebiet. Die Löcher rekombinieren mit den Elektronen, und so entsteht eine von freien Ladungsträgern leergefegte Zone. „Sie heißt Verarmungszone“, sagt Breitenstein. In der Halbleiterphysik spricht man auch von „Raumladungszone“. Der Mangel an Löchern hinterlässt auf der p-Seite des p-n-Kontakts eine Region mit negativer Überschussladung, auf der n-Seite eine positiv geladene Region. Damit entsteht am p-n-Kontakt ein elektrisches Feld. Es verhindert ein weiteres Eindringen von Elektronen und Löchern in die Verarmungszone, solange kein Strom durch die Diode fließt.

Sobald sich die Verarmungszone bei der Herstellung der Diode ausgebildet hat, herrschen stabile Verhältnisse. Sie ändern sich erst, wenn man an die Diode eine elektrische Spannung anlegt. Sie wird zum Stromventil. Ist die elektrische Spannung in Durchlassrichtung des Ventils gepolt, dann schrumpft die Verarmungszone. Nun haben viele Elektronen genug Energie, um leicht durch die schmale Verarmungszone hindurch zu flutschen, ebenso Löcher in umgekehrter Richtung. Polt man die Diode in Sperr-Richtung um, dann wird die Raumladungszone breiter. Sie wird zum Hindernis für die Ladungsträger. Das Stromventil ist geschlossen.

Fällt Licht auf eine Solarzelle, dann „spannt“ sie sich selbst in Durchlassrichtung vor. Solange die Durchlassspannung nicht allzu groß ist, bleibt die Verarmungszone relativ breit. Dieser Zustand ist entscheidend: Damit wirkt diese Zone auf den entstehenden Photostrom immer noch wie ein Staubsauger: Ihr elektrisches Feld saugt die Elektronen in den n-Kontakt der Zelle hinein, die Löcher in den p-Kontakt. Das verhindert, dass beide Ladungsträgersorten wieder miteinander rekombinieren.

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