Unter Photovoltaik wird die direkte Umwandlung von Sonneneinstrahlung in elektrischen Energie verstanden. Der Begriff Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort „phos“ und „photos“ („Licht“ „des Lichtes“) und dem Namen des italienischen Physikers Alessandro Graf Volta (1745-1825), der als der Erfinder der Batterie gilt und als einer der Mitbegründer des Zeitalters der Elektrizität.

Der französische Physiker Antoine-Henri Becquerel (1852-1908), der 1903 gemeinsam mit Marie und Pierre Curie den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung der Radioaktivität erhielt, machte 1839 die ersten Beobachtungen in Bereich der Photovoltaik. Er tauchte zwei Metallplatten in eine verdünnte Säure und stellte fest, dass dieses Element mehr Strom erzeugt, wenn man es der direkten Sonnenbestrahlung aussetzte.

Unoxidierte Metalloberflächen geben im negativ aufgeladenen Zustand Elektronen ab, wenn ihre Oberfläche durch Licht bestrahlt wird. Die kinetische Energie der freiwerdenden Elektronen hängt von der Frequenz und von der Farbe des Lichtes ab (siehe Spektrum der Sonne), aber nicht von dessen Intensität. Dies stand im Gegensatz zur Vorstellung von Licht als Wellenerscheinung, da in der klassischen Physik die Energie einer Welle von deren Amplitude und nicht von der Frequenz abhängt.

Henri Becquerel

Halbleiter-Grundlagen und Dotierung

Unter einem Halbleiter versteht man Materialien, die man hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit sowohl als Leiter als auch als Nichtleiter (Isolatoren) betrachten kann.

Die Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig. In der Nähe des absoluten Temperaturnullpunktes sind Halbleiter Isolatoren. Bei Raumtemperatur sind sie je nach materialspezifischem Abstand von Leitungs- und Valenzband leitend oder nichtleitend. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern nimmt mit steigender Temperatur zu.

Um die Leitfähigkeit von Halbleitern gezielt zu beeinflussen bzw. zu steuern, werden diese „verunreinigt“ durch das Einbringen von Fremdatomen aus einer anderen chemischen Hauptgruppe. In der Fachsprache spricht man von Dotieren.

Dotieren

Unter Dotieren oder Dotierung versteht man das gezielte Verändern der Leitfähigkeit von Halbleitern, indem man in den reinen Halbleiterwerkstoff Fremdatome einbaut. Man spricht auch von Verunreinigen.

Ein Atom besteht aus einem festen Atomkern, in dem sich eine bestimmte Anzahl von positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen befindet, und der Atomhülle, in der sich gleich viele negativ geladenen Elektronen befinden wie Protonen im Kern vorhanden sind. Dadurch ist ein Atom immer neutral.

Die Elemente Silizium (Si), Phosphor (P) und Bor (B) sind neutral geladene Atome, also keine negativen oder positiven Ionen.

Jedes Atom hat in seiner äußersten Elektronenhülle eine gewisse Anzahl an Elektronen, die man als Valenzelektronen bezeichnet. Auf jeder Seite des Atoms verbindet sich ein Valenzelektron mit dem entsprechenden Elektron des Nachbarelementes und geht mit diesem eine feste Elektronenbindung ein. Auf diese Weise bildet jedes Atom vier feste Elektronenbindungen mit seinen Nachbaratomen.

Im Periodensystem der Elemente befindet sich Silizium in der vierten Gruppe (4 Elektronen in seiner äußersten Elektronenhülle). Phosphor befindet sich in der fünften Gruppe (5 Elektronen in der äußersten Hülle) und Bor befindet sich in der dritten Gruppe (3 Elektronen in der Außenhülle).

n-Dotierung (negative Dotierung)

Halbleiter mit n-Dotierung nennt man auch n-Leiter. Bei der n-Dotierung setzt man ein Atom ein, das mehr Valenzelektronen als das ursprüngliche Atom hat.

Beispielsweise setzt man anstelle eines Siliziumatoms ein Phosphoratom mit 5 Valenzelektronen ein. 4 Valenzelektronen gehen wieder eine Paarbindung mit den Valenzelektronen der Nachbaratome ein. Das 5. Valenzelektron kann keine Paarbindung eingehen.

Es ist somit überschüssig und sehr schwach mit dem Atomrumpf verbunden. Dadurch kann sich das 5. Valenzelektron sehr einfach vom Atomrumpf lösen und wäre dann ein freies Elektron, das für die n-Leitung zur Verfügung steht und sich ohne elektrische Spannung frei bewegt.

p-Dotierung (positive Dotierung)

Halbleiter mit p-Dotierung werden auch p-Leiter genannt. Hierbei ist es umgekehrt wie bei der n-Dotierung. Bei der p-Dotierung setzt man ein Atom mit weniger Valenzelektronen ein. Man könnte z.B. anstelle eines Siliziumatoms ein Boratom mit 3 Valenzelektronen einsetzen. Alle 3 Valenzelektronen gehen eine Paarbindung mit den Valenzelektronen der Nachbaratome ein. Somit bleibt eine Bindung mit einem Nachbaratom unbesetzt und es entsteht ein Loch.

Boratome haben die Eigenschaft, die Elektronen stärker anzuziehen. Dadurch wird von einem anderen Atom, das kein Nachbaratom des Boratoms ist, ein Valenzelektron zum Loch für die Bindung mit dem Nachbaratom angezogen, so dass alle Bindungen mit den Nachbaratomen des Boratoms besetzt sind.

 

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