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Lexikon der Physik: Solarzelle

Solarzelle, Halbleiterbauelement zur direkten Wandlung sichtbaren Lichts in elektrischen Gleichstrom. Die Solarzelle basiert auf der Trennung von Elektron-Loch-Paaren durch ein inneres elektrisches Feld (›built-in field‹), das im allgemeinen mit Hilfe eines p-n-Übergangs erzeugt wird. Die Effizienz einer Solarzelle läßt sich beziffern anhand ihres Wirkungsgrades, der hier definiert wird als das Verhältnis von maximal extrahierbarer elektrischer Leistung Pm und der einfallenden Lichtleistung PL: η = Pm / PL = ULIK F / PL (UL: Leerlaufspannung, IK: Kurzschlußstrom, F: Füllfaktor). Der Füllfaktor F (Füllfaktor einer Solarzelle), F ≤ 1, charakterisiert dabei die Form der Strom-Spannungs-Kennlinie. Erreichbare Wirkungsgrade einer Solarzelle hängen von den beteiligten Verlustmechanismen ab, von denen nur ein geringer Anteil einer technologischen Optimierung zugänglich ist. Weitgehend grundsätzlicher Natur sind diejenigen Verluste, die auf der unvollständigen Absorption des Sonnenlichts im Halbleiter sowie einer unvollständigen Trennung der Ladungsträger bei einer endlich großen Dotierung des Halbleitermaterials beruhen. Der wichtigste Parameter für den Wirkungsgrad ist jedoch die Energielücke EG des Halbleiters (siehe Abb. 1). Photonen mit Energien hν EG werden nicht absorbiert, während solche mit hν > EG zwar Elektron-Loch-Paare erzeugen, die jedoch den Anteil hνEG der Photonenergie durch sehr schnelle (≈ 10-12 s) Relaxation an die Bandkanten in Form von Wärme an den Festkörper abgeben. Weitere Verlustmechanismen gehen auf die Rekombination der Ladungsträger, Reflexion des einfallenden Sonnenlichts sowie den von eins verschiedenen Wert des Füllfaktors zurück. Die technologischen Bemühungen konzentrieren sich v.a. auf die letztgenannten Verlustprozesse, wobei sich die Rekombination u.a. durch die Herstellung besonders defektarmer einkristalliner Siliciumzellen (siehe Abb. 2) reduzieren läßt, während Reflexionsverluste durch Antireflexbeschichtungen oder texturierte Oberflächen minimiert werden können. Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad einer Si-Solarzelle für normales Sonnenlicht liegt bei 28 %, wobei im Labor bereits Werte von 24,2 % erreicht wurden. Bei GaAs wurde bei einem theoretischen Wirkungsgrad von 29 % ein experimenteller Wert von 24,8 % gemessen. Weitere Verbesserungen lassen sich erzielen, wenn konzentriertes Sonnenlicht verwendet wird, da dies zu einer verbesserten Ladungstrennung führt, oder durch Verwendung sog. Tandemsolarzellen, bei denen durch Kombination zweier Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen EG eine bessere Ausnutzung des Sonnenspektrums gewährleistet wird. Der bisher höchste Wirkungsgrad einer Solarzelle wurde mit einer GaAs/GaSb-Tandemsolarzelle unter 50facher Sonnenlichtkonzentration erzielt; der erreichte Wert betrug hierbei 33,7 %. (Sonnenenergie)



Solarzelle 1: Wirkungsgrad einer Solarzelle als Funktion der Energielücke des Halbleiters.



Solarzelle 2: Aufbau einer einkristallinen Solarzelle.

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Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
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Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
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Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
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Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
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Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
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Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
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