Ich habe ein paar Fragen zur Funktionsweise einer Solarzelle, weil ich das Ganze wirklich im Detail verstehen möchte.
Mein bisheriges Verständnis: Grundsätzlich basiert eine Solarzelle auf nichts anderem als einem p-n-Übergang. Beim Zusammenbringen der beiden unterschiedlichen Halbleiter hat sich ein Gleichgewicht eingestellt, sodass sich die Diffusionsbewegung durch die Gradienten der Ladungsträgerkonzentrationen an der Grenzschicht und die Driftbewegung durch das resultierende elektrische Feld ausgleichen. Dabei ist es zur Ausbildung einer Raumladungszone gekommen, die an beweglichen Ladungsträgern arm ist. De facto ist das Bauelement insgesamt zwar neutral, aber nicht an allen Stellen ungeladen. Im n-Halbleiter bleiben in der Raumladungszone positive Atomrümpfe zurück (Pluspol) und im p-Halbleiter negative (Minuspol). Auf diesem internen elektrischen Feld beruht nun die Funktionsweise der Solarzelle. Gehen wir vereinfacht davon aus, dass Lichteinstrahlung und Absorption nur in der Raumladungszone stattfinden, dann werden dort Ladungsträgerpaare aus Löchern und Elektronen erzeugt. Durch das elektrische Feld können die Ladungsträger nun separiert werden, was für die Erzeugung elektrischen Stroms entscheidend ist. Die Elektronen bewegen sich durch elektrostatische Wechselwirkung in Richtung der positiv geladenen Atomrümpfe im n-Halbleiter, die Löcher werden in die entgegengesetzte Richtung vom Grenzübergang weggezogen.
1. Frage: Warum ist denn der Drift hier entscheidend?
Ich hätte jetzt gedacht, dass es hier sowohl zu Drift- als auch Diffusionsbewegungen kommt und sich zunächst einmal ein neues thermisches Gleichgewicht einstellt wie bei jeder Ladungsträgerdichtestörung im Halbleiter. Dass das elektrische Feld genutzt wird, um gerade zu verhindern, dass die erzeugten Ladungsträger nach einer kurzen Zeit (Trägerlebensdauer) wieder rekombinieren, ist mir schon klar. Deshalb muss ja eine Solarzelle auch immer in Sperrrichtung betrieben werden bzw. mit einer Vorspannung in Sperrrichtung kann ich das interne elektrische Feld, welches sowieso existiert, und den Drift noch zusätzlich verstärken. Nur warum fällt die Diffusion unter den Tisch? Oder liegt das daran, dass in der Raumladungszone keine Ladungsträger vorhanden waren und es deshalb gar keinen nennenswerten Konzentrationsgradienten gibt? Diffusion gäbe es dann nur in den Diffusionszonen?
Da im n-Halbleiter nur sehr wenige Löcher existieren (n-Halbleiter als Elektronenleiter) rekombinieren die neu gewonnen Ladungsträger nur mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit und können so genutzt werden. Sie gelangen bis zu den Metallkontakten, wo sie sich ansammeln. Dies kann wie gesagt noch durch eine von außen angelegte Sperrspannung verstärkt und beschleunigt werden. Am Metallkontakt des n-Halbleiters (positiv geladen wegen Sperrrichtung) sammeln sich also Elektronen an, am Metallkontakt des p-Halbleiters (negativ geladen) die Löcher. An den Metallkontakten ist durch die Anhäufung der Ladungen und den damit verbundenen Potentialunterschied eine Spannung abgreifbar – die Leerlaufspannung der Solarzelle. Für diese Spannung befindet sich der Pluspol also gerade am p-Halbleiter und der Minuspol am n-Halbleiter, was genau der umgekehrten Polung zu vorher entspricht.
2. Frage: Wie soll das dauerhaft funktionieren wenn sich die Solarzelle selbst umpolt?
Das hieße doch, wenn ich ohne Schließen des Stromkreises die Solarzelle dauerhaft beleuchte, so geht sie kaputt! Da ich die Ladungsträger nicht durch den äußeren Stromkreis absauge, sammeln sich ja z.B. am n-Halbleiter immer mehr Elektronen an und ein Minuspol entsteht, wie oben beschrieben. Das äußere elektrische Feld, was angelegt worden war (in Sperrrichtung) und das interne elektrische Feld (Raumladungszone) werden so immer weiter abgeschwächt. Irgendwann ist der Potentialunterschied dann so groß, dass die Diode quasi in Durchlassrichtung vorgespannt ist oder der p-n-Übergang ist nicht mehr nutzbar, weil es kein Feld mehr gibt. Es heißt ja auch, der n-Halbleiter werde im Banddiagramm energetisch angehoben, wohingegen generell bei einem p-n-Übergang in Sperrrichtung der n-Halbleiter noch zusätzlich abgesenkt wird, sodass die Potentialbarriere größer wird. Die Solarzelle müsste doch so immer schlechter werden.
Wo liegt mein Denkfehler? Stellt sich da auch irgendwie ein Gleichgewicht ein, sodass z.B. die Ladungsträger auch bei Beleuchtung nicht mehr driften und sich durch Diffusionsbewegungen wieder homogen verteilen?
Wird der Stromkreis geschlossen, so können die Elektronen vom n-Halbleiter über den äußeren Stromkreis zum Pluspol gelangen und die Löcher im p-Halbleiter ausfüllen ohne die Raumladungszone durchqueren zu müssen. Die Löcher bewegen sich analog zum Minuspol. Durch einen angeschlossenen Verbraucher fließt dann kontinuierlich elektrischer Strom oder ein Generator kann die elektrische Energie weiter nutzbar machen.