Funktion

Als Solarzelle bezeichnet man den phosphordotierten (mit Phosphor gezielt verunreinigt), mit Metallkontakten versehenen Wafer. Auch eine Antireflexionsschicht ist schon aufgebracht.

Die Siliziumscheibe wurde mit Bor-Atomen gezielt verunreinigt (dotiert). Dann wird auf der Oberseite eine Dotierung mit Phosphor-Atomen vorgenommen. (Dadurch entstehen zwei Schichten, die p-Halbleiter- und die n-Halbleiterschicht.)

Silizium ist vierwertig, Phosphor fünf- und Bor dreiwertig (Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale). Wird nun ein Phosphoratom in ein bor-dotiertes Siliziumkristall eingebunden, so bleibt ein Elektron „übrig", das sich frei in der Siliziumscheibe bewegt, es sei denn, es trifft auf sein Gegenstück, ein Atom mit einem Elektron zu wenig. Das dreiwertige Bor ist genau dieses Gegenstück, da ihm im Vergleich zum Silizium ein Elektron fehlt. Es verfügt also über die Lochstelle, um das sich frei bewegende Elektron wieder „einzufangen".

Im Inneren der Siliziumscheibe, in der Grenzschicht zwischen den unterschiedlich verunreinigten Siliziumfeldern, entsteht dadurch ein elektrisches Feld, die so genannte Raumladungszone (auch pn-Übergang genannt). Trifft nun Licht auf die Solarzelle, so geraten die Phosphor- und Bor-Atome in einen angeregten Zustand. Zur Freisetzung von Elektronen aus dem Verbund wird nur eine bestimmte Menge Energie benötigt. Haben die Photonen, die Energieträger des Lichtes, mehr als diese Energie, so wird der Rest in Wärme umgewandelt. Freie Elektronen bewegen sich nun durch das Siliziumkristallgefüge. Geraten sie dabei in den Bereich der Raumladungszone, so werden sie als negativ geladenen Teilchen von der darunter liegenden, nun positiv geladenen Zone, angezogen. Dieser Prozess hält an, solange Licht auf die Zelle auftrifft. (Die Elektronenmenge, die sich in der Zelle bewegt, ist mit der Stromstärke gleichzusetzen. Je höher Einstrahlungsintensität und Zellenfläche, desto stärker fließt der Strom. Verluste entstehen dadurch, dass ein Elektron auf ein Loch trifft und mit diesem „rekombiniert".)

Besteht eine elektrische Verbindung zur Unterseite der Zelle über einen äußeren Stromkreis, so können die Elektronen über die aufgebrachten Metallkontakte abfließen. Die Spannung, die dabei entsteht, beträgt bei einer Siliziumzelle etwa 0,6 Volt. Die Elektronen können nur über die an Ober- und Unterseite angebrachten, elektrisch verbundenen Metallkontakte zur positiv geladenen Unterseite gelangen, um dort die freien Lochstellen zu besetzen.
Da aber jedes Elektron immer den stabilen Zustand anstrebt, wandern die Elektronen wieder an ihren Ausgangspunkt zurück. Die Elektronenmenge, die sich in der Zelle bewegt, ist mit der Stromstärke gleichzusetzen. Je höher Einstrahlungsintensität und Zellenfläche, desto stärker fließt der Strom. An der Verbindung zwischen den Zellschichten kann der Strom nun durch einen Verbraucher (z.B. eine Lampe) geleitet werden.

Um das Abstrahlen des Lichtes zu verhindern, was eine geringere Ausbeute der Zelle zur Folge hätte, wird schließlich auf die Oberseite der Zelle eine Antireflexionsschicht aufgebracht.

Skizze: