Die praktische Ausnutzung der Strahlung der Sonne. Immer mehr Geräte und Produkte arbeiten mit der Kraft der Sonne und des Lichtes. Durch Solarzellen wird das Licht in elektrische Energie umgewandelt.
Eine Solarzelle verwandelt Licht in elektrische Energie. Diese Möglichkeit ist schon sehr lange bekannt. Viele Wissenschaftler in der gesamten Welt versuchen die Sonne als Energiequelle für die Stromversorgung auszunutzen. Die Temperaturen auf der Sonne sind gewaltig. Etwa 5.700 Grad Celsius beträgt die Temperatur an ihrer Oberfläche.
Die Herstellung von Solarzellen
Der Rohstoff für Solarzellen wird aus Sand gewonnen – auch Quarz, Kieselerde, Silikat, SiO2 = Siliciumdioxyd genannt. Aus diesem Grundstoff wird zunächst das Rohsilizium gewonnen. Dieses enthält noch ungefähr zwei Prozent Verunreinigungen aus Eisen, Calcium und Aluminium. Es sind dabei zwei verschiedene Gewinnungswege möglich.
Gewinnung von Rohsilczium durch Reduktion von Quarz mit Kohlenstoff
So bezeichnet man die Art der chemischen Reaktion von Quarz mit Kohlenstoff. Man nimmt ein Quarzmolekül und zwei Kohlenstoffatome und führt Wärme zu. Als Ergebnis erhält man ein Siliziumatom und zwei Kohlenmonoxidmoleküle.
Als Gleichung würde dies so aussehen: SiO2 + 2C → 2CO
Diese Art der Rohstoffgewinnung ist derzeit die Basis für die großtechnische Siliziumherstellung. Das sehr giftige Kohlenmonoxid wird unter Energiegewinn zu Kohlendioxid verbrannt. Allerdings ist dieses Kohlendioxid das Gas, welches für den in den Medien ständig erwähnten Treibhauseffekt verantwortlich ist.
Die Rohsiliziumgewinnung durch Reduktion von Quarz mit Aluminium
Eine weitere Methode funktioniert nicht mit Kohlenstoff, sondern Aluminium. Drei Quarzmoleküle werden dabei mit vier Aluminiumatomen unter Wärmezufuhr zur Reaktion gebracht. Es entstehen drei Siliziumatome und zwei Aluminiumoxidmoleküle.
Als Gleichung sieht dies so aus: 3 SiO2 + 4 Al → 3 Si + 2 Al2O3
Auch hier gibt es großtechnisches Verfahren. Für die Halbleitertechnologie ist auch dieses Material noch längst nicht rein genug. Beim Rohsilizium können sich in 100 Atomen zwei Fremdatome befinden. Beim Reinsilizium dürfen sich auf 10.000.000 Atomen nur zwei Fremdatome befinden.
Wie erhält man diese Reinheit von Rohsilizium?
Um eine solchen Reinheitsgrad zu erhalten, muss das Rohsilizium noch in eine andere Verbindung überführt werden. Jetzt wird ein Teil Rohsilizium mit drei Teilen Salzsäure unter Wärmezufuhr zum sogenannten Trichlorsilan umgesetzt. Als Nebenprodukt entsteht Wasserstoff. der später bei der Rückreaktion wieder verwendet wird. Die Gleichung lautet : Si + 3 HCl → SiHCl3 + H2.
Bei den Reaktionstemperaturen von 300 bis 400 Grad Celsius ist Trichlorsilan gasförmig. Auch die Verunreinigungen reagieren mit der Salzsäure zu Chlorverbindungen. Diese sind zwar ebenfalls gasförmig, kondensieren aber beim Abkühlen früher und können relativ leicht abgetrennt werden. Diesen Vorgang nennt man fraktionierte (schrittweise) Destillation. Nun muss das so gewonnene, hoch reine Trichlorsilan in ultrareines Silizium zurück gewandelt werden. Deshalb bringt man ein Trichlormolekül mit einem Wasserstoffmolekül zusammen und führt Wärme zu. Jetzt entstehen ein Siliziumatom und drei Salzsäuremoleküle. Die Gleichung lautet dazu: SiCl3 + H2 → Si + 3 HCl
Aus diesem ultrareinen Silizium können nun mono- oder polykristalline Siliciumblöcke hergestellt werden. Es kann auch zur Herstellung amorpher Solarzellen dienen. Darunter versteht man ein aufdampfen einzelner Schichte auf ein Grundmaterial.
Die Herstellung mono- beziehungsweise polykristalliner Solarzellen
Hat man eine Siliziumschmelze oder Silizium in Gasphase, bilden sich daraus beim abkühlen nicht von selbst Kristalle. Es ist eine Art „Keim“ notwendig, um den Kristallisationsvorgang auszulösen. Dies sind Kristalle beziehungsweise Stäbe desselben Materials, an die sich dann die Atome aus der Schmelze oder Gasphase anlagern. Je nachdem, ob man mono- oder polykristallines Silizium erhalten möchte, muss man beim Auskristallisieren verschiedene Verfahren anwenden. Bei Monokristallin wird das Tiegelziehverfahren aus der Schmelze angewandt. Beim Polykristallin geschieht dies durch Gasabscheidung (SIEMENS-Verfahren) oder Gießen in rechteckige Blöcke.
Weiterverarbeitung der Silizium-Blöcke
Es entstehen Silizium-Blöcke, die in 0,5 Millimeter dicke Scheiben zersägt werden. Die Oberfläche wird durch ätzen und schleifen geglättet. Erst diese Scheiben sind dann die Grundlage für die Solarzellen. Allerdings haben sie noch nicht die charakteristischen Eigenschaften. Sie müssen im nächsten Schritt von beiden Seiten mit verschiedenen Fremdatomen dotiert werden. Das bedeutet, sie werden gezielt verunreinigt. Diese Verunreinigung besteht darin, dass zwischen 1.000.000 Siliziumatomen ein Fremdatom „eingebaut“ wird. Die Fremdatome auf der einen Seite haben ein Elektron mehr und diejenigen auf der anderen Seite ein Fremdatom zu wenig. So passen diese bestens in das Siliziumgitter. Dies bedeutet wiederum, es entstehen positive Löcher im Gitter. Diese Seite wird p-Schicht genannt. Dort können, falls welche in der Nähe sind, die Elektronen aufgenommen werden. Oder es ist ein negatives Elektron zu viel vorhanden – das ist die n-Schicht.
Die Elektronen wandern
Ein Elektron kann, wenn es genügend Energie hat, bestimmte Strecken wandern. Die n-Schicht ist 1.000 mal dünner als die p-Schicht. Es gibt nun eine Stelle mit Löchern und eine Seite mit Überschusselektronen. Die Elektronen können zu den Löchern wandern und diese besetzen beziehungsweise neutralisieren. Dies wird rekombinieren genannt.. Da die Elektronen aber nicht beliebig weit wandern können – sie haben zu wenig Energie – wird dies nur in einem bestimmten Bereich in der Mitte geschehen. Es hat sich ein Gleichgewicht gebildet. Dadurch ist die Grenz-oder Sperrschicht entstanden, die nicht mehr von Elektronen überwunden werden kann.
Trifft nun auf eine Solarzelle, und zwar auf die Seite mit der n-Schicht (Elektronenüberschuss) Licht, was gleichbedeutend mit Energiezufuhr ist, so werden die Elektronen beweglicher. Sie können weite Strecken zum nächsten Loch wandern. Die Grenzschicht wird breiter. Das vorherige Gleichgewicht ist gestört. Man kann eine Spannung messen, die sogenannte Leerlaufspannung der Zelle.