Solarzelle

Solarzellen sind spezielle Halbleiterdioden, bei denen unter Lichteinfall an einem pn-Übergang ein Fotostrom entsteht. Der Vorteil von Solarzellen besteht darin, dass sie die Lichtenergie unmittelbar in elektrische Energie umwandeln.
Solarzellen sind im Grunde Fotodioden, die sich in einem Stromkreis ohne zusätzliche Spannungsquelle befinden. An jedem pn-Übergang bildet sich ein inneres elektrisches Feld, das durch die Verteilung von Löchern und freien Elektronen an der Grenzschicht zustande kommt. Fällt Licht auf die Grenzschicht, so kann es, sofern die Lichtwellen eine gewisse Mindestfrequenz besitzen, durch den Fotoeffekt zusätzliche freie Elektronen und Löcher im Halbleitermaterial hervorrufen. Das elektrische Feld am pn-Übergang trennt die Ladungsträger auf ähnliche Weise, wie das auch in einem geladenen Plattenkondensator geschehen würde. Durch diese Ladungstrennung entsteht eine elektrische Spannung zwischen dem p-Gebiet und dem n-Gebiet des Halbleiters. Sie beträgt bis zu 0,5 V. Solarzellen werden meist zu Sonnenbatterien zusammengeschaltet.

Durch die Entwicklung von Dünnschichtzellen konnte man die Herstellung von Solarzellen wesentlich verbilligen. Allerdings haben die Dünnschichtzellen, die aus einem extrem dünnen Halbleitermaterial bestehen, das auf einen metallischen Träger aufgedampft wird, bislang noch einen geringeren Wirkungsgrad als herkömmliche Solarzellen.
Auch ohne pn-Übergang tritt unter gewissen Umständen bei Lichteinfall eine Ladungstrennung von Elektronen und Löchern in Halbleitern auf. Dies geschieht infolge der unterschiedlichen Beweglichkeit von Löchern und Elektronen. Haben sie sich erst einmal durch Lichteinwirkung in der Nähe einer Halbleiteroberfläche gebildet, dann gelangen die freien Elektronen wesentlich schneller in das Innere des Halbleiters als die Löcher. Wenn der Halbleiter nur eine äußerst geringe Schichtdicke aufweist, dann erreichen die Elektronen die unbestrahlte Unterseite des Halbleiters viel früher als die Löcher, wodurch zwischen beiden Halbleiterseiten eine elektrische Spannung entsteht. Dieser physikalische Vorgang könnte möglicherweise in Zukunft eine sehr preiswerte Herstellung von Solarzellen ermöglichen.