Wie Licht in elektrischen Strom umgewandelt wird

Elektrischer Strom entsteht, wenn sich Elektronen in einem Leiter bewegen.

Elektronen sind kleine negativ geladene Teilchen, die um den positiv geladenen Atomkern flitzen. Solarzellen bestehen meist aus Siliziumatomen. Trifft nun Licht in Form von Photonen auf die äusseren Elektronen des Siliziumatoms, verändert sich die Kreisbahn der Elektronen um den Atomkern: Sie wird grösser. Ist die Energie des Photons genügend gross, werden Elektronen aus ihrer Umlaufbahn weggeschleudert und befreien sich. Sie lassen Atome mit einem fehlenden Elektron zurück, so genannte Löcher. Bei Lichteinfluss entstehen also viele freie, negativ geladene Elektronen und positiv geladene Löcher. Dabei wird aber noch kein elektrischer Strom produziert, da die gewonnen Elektronen von alleine wieder ins nächste Loch fallen und sich mit einem Atom verbinden, dem ein Elektron fehlt. Um dies zu verhindern und die Elektronen als elektrischen Strom nutzbar zu machen, wird das Silizium mit einem elektrischen Feld versehen.

Zur Erzeugung des Feldes werden in der auf der Sonne zugewandten Schicht des Siliziums gezielt Fremdatome eingebracht (Dotierung). Meist wird dazu Phosphor verwendet. Phosphor hat 5 äussere Elektronen, während Silizium nur 4 äussere Elektronen aufweist. Phosphor besitzt also ein Elektron mehr in der äusseren Elektronenschale. Da dieses zusätzliche Elektron nicht in das Siliziumgitter eingebaut werden kann, ist es frei beweglich. Es entsteht ein Überschuss an Elektronen und damit die n-Schicht der Solar-Zelle.  

Auf der Rückseite der Solarzelle wird das Silizium mit Atomen angereichert, die ein Elektron weniger in der äussersten Schale haben – wie zum Beispiel Bor. Hier entsteht die p-Schicht der Solarzelle.

Unsere Zelle hat nun also zwei Schichten: Oben die negativ geladene n-Schicht und unten die positiv geladene p-Schicht. Am Übergang zwischen diesen beiden Schichten (Grenzschicht) werden nun von der p-Schicht Elektronen aus der n-Schicht angezogen. In der Grenzschicht entsteht nun also durch diesen „Elektronenklau“ die umgekehrte Ladung: Die p-Schicht ist negativ geladen und die n-Schicht positiv. Diese umgekehrte Ladung bezieht sich aber nur auf die Grenzschicht.

Auf beiden Seiten der Solarzelle wird ein Stromabnehmer aus einem gut leitenden Metall aufgebracht. Trifft Licht auf die Solarzellen, werden die Elektronen, die durch die Photonen aus ihrer Umlaufbahn geschleudert wurden, zum Minuspol gezogen, da innerhalb der Grenzschicht der Minuspol positiv geladen ist und somit die Elektronen anzieht. Durch diese umgekehrte Ladung in der Grenzschicht haben wir die Elektronen überlistet und auf die „falsche Seite“ gezogen. Es sammeln sich also die Elektronen beim Minuspol, der die Elektronen abstossen möchte, da er in der n-Schicht negativ geladen ist. Verbindet man nun die beiden Pole, so wandern die Elektronen vom Minuspol, wo ein Elektronenüberschuss herrscht, zum Pluspol, wo ein Elektronenmangel besteht. Auf dem Weg vom Minuspol zum Pluspol treiben die Elektronen alle gewünschten Gleichstromverbraucher an oder laden Akkus auf.