Fotoelemente (Solarzellen)

 

Fotoelemente sind Energiewandler, sie wandeln Lichtenergie in elektrische Energie um. Fotoelemente wurden ursprünglich für den Weltraumeinsatz entwickelt. Sie arbeiten noch bei hohen Temperaturen, haben eine lange Lebensdauer und verkraften auch die im Weltraum vorkommenden einergiereichen Partikelstrahlungen. Fotoelemente gibt es auf Selen- und Silizium-Basis. Solarzellen sind im Prinzip Silizium-Fotoelemente.

 

Silizium-Fotoelemente: Ein Silizium-Fotoelement besteht aus einem p-leitenden Silizium-Einkristall, in das eine dünne n-leitende Zone eindotiert wurde. Die n-Zone ist mit einer lichtdurchlässigen Schutzschicht abgedeckt. Zwischen der p-Zone und der n-Zone entsteht eine Sperrschicht, in der durch Ladungsträgerdiffusionen ein elektrisches Feld herrscht. Wenn Licht auf die n-Zone auftrifft, werden durch die Photonen des Lichts Kristallbindungen zerschlagen. Die freigesetzten Elektronen wandern aufgrund ihrer negativen Ladung entgegengesetzt der Feldlinienrichtung des elektrischen Feldes in den sperrschichtfreien Bereich der n-Zone. Der sperrschichtfreie Bereich der n-Zone ist der negative Pol des Fotoelements.
Die bei der Freisetzung von Elektronen entstandenen Löcher wandern gemäß der Feldlinienrichtung des elektrischen Feldes in den sperrschichtfreien Bereich der p-Zone. Der sperrschichtfreie Bereich der p-Zone ist der positive Pol des Fotoelements.

Aufbau eines Silizium-Fotoelements (Solarzelle)

 

Silizium-Fotoelemente haben etwa einen Wirkungsgrad von 10%. Bei voller Lichteinstrahlung können sie etwa 10 mW/cm² abgeben. Die Spannung beträgt dann etwa 0,6 Volt. Si-Fotoelemente haben eine breite spektrale Empfindlichkeit, sie umfasst das Spektrum des sichtbaren Lichts und reicht bis weit in das Spektrum des Infrarotlichtes herein.

 

Selen-Fotoelemente:
Selen-Fotoelemente bestehen aus einer vernickelten Eisengrundplatte, auf der eine polykristalline Selenschicht aufgebracht ist. Als Abdeckung verwendet man eine transparente Schicht aus Cadmiumdioxid, die gleichzeitig die Gegenelektrode darstellt. Zwischen Selen und Cadmiumdioxid bildet sich eine Sperrschicht, in der durch Ladungsträgerdiffusionen ein elektrisches Feld herrscht. Wenn Licht auf die Cadmiumdioxid-Zone auftrifft, wandern die freigesetzten Elektronen entgegengesetzt der Feldlinienrichtung des elektrischen Feldes in den sperrschichtfreien Bereich der Cadmiumdioxid-Zone. Die Löcher wandern in den neutralen Bereich der Selenschicht. Zwischen den beiden Bereichen entsteht eine Spannung, die an der Grundplatte und am Abdeckring abgegriffen werden kann.

Aufbau eines Selen-Fotoelements

 

Selen-Fotoelemente haben nur einen Wirkungsgrad von 1%. Bei voller Lichteinstrahlung können sie etwa 1 mW/cm² abgeben. Die Spannung beträgt dann etwa 0,3 Volt. Selen-Fotoelemente haben einen Empfindlichkeitsbereich, der dem menschlichen Auge recht nahe kommt. Sie eignen sich daher gut für fotoelektrische Belichtungsmesser.

 

Schlüsselwörter für diese Seite: Optoelektronik, Licht, optische Strahlung, Fotoelement, Solarzelle, Halbleiter, Christian Heidbreder