Ein Photovoltaik-Solarpanel besteht aus Dutzenden einzelner Zellen, die miteinander verdrahtet sind, um eine Leistung zu erzeugen, die der Summe aller Zellen im Panel entspricht. Das aktive Material in jeder Zelle ist Silizium, das gleiche Element, aus dem die Festkörperelektronik hergestellt wird. Silizium hat photoelektrische Eigenschaften und erzeugt Strom, wenn man es mit Licht bestrahlt.
Metalloide
Eine spezielle Gruppe von Elementen, die Metalloide genannt werden, nimmt einen Bereich zwischen den Metallen und Nichtmetallen im Periodensystem ein; Metalloide haben einige Eigenschaften von Metallen und einige von Nichtmetallen. Zum Beispiel können Halbmetalle wie Nichtmetalle spröde sein, aber wie Metalle Elektrizität leiten. Zwei Hauptbeispiele für metalloide Elemente sind Silizium und Germanium. Von den beiden wird Silizium mehr in der Elektronik verwendet, da Germanium Probleme in Umgebungen hat, die wärmer als Raumtemperatur sind.
Dotiertes Silizium
Ein Prozess namens Dotierung mischt winzige Mengen von Verunreinigungen in Silizium und verändert seine elektronischen Eigenschaften. Wenn Silizium beispielsweise mit Bor dotiert ist, weist es einen Überschuss an positiven elektrischen Ladungen auf. Mit Arsen dotiert, wird die Ladung von Silizium negativ. Eine Solarzelle ist ein Sandwich aus zwei Siliziumschichten, eine positiv und die andere negativ. Die beiden Seiten fungieren als Plus- und Minuspol einer Batterie.
Photoelektrischer Effekt
Wenn Licht auf die Oberfläche einer Solarzelle fällt, bewegt die Energie Elektronen im Silizium. An einen Stromkreis angeschlossen wird die Solarzelle zu einer Stromquelle. Obwohl der von einer einzelnen Zelle bereitgestellte Strom klein ist – in der Größenordnung von einigen Milliampere – liefern die Ströme vieler Zellen in einem zusammengeschalteten Solarpanel mehrere Ampere Strom.
Die Reaktion von Silizium auf Licht
Bei völliger Dunkelheit produziert eine Solarzelle keinen Strom. Mit zunehmender Lichtmenge steigt auch die Leistung der Zelle. Der maximale Strom der Zelle ist jedoch begrenzt; Jedes zusätzliche Licht über eine maximale Helligkeit hinaus erzeugt keine erhöhte elektrische Leistung. Neben der Helligkeit spielt auch die Wellenlänge des einfallenden Lichts eine Rolle. Eine typische Siliziumsolarzelle reagiert auf die meisten sichtbaren und infraroten Teile des Lichtspektrums der Sonne, aber einige Wellenlängen im gelben und roten Bereich werden schlecht absorbiert. Ein Teil des Infrarots und alle längeren Wellenlängen passieren die Solarzelle und produzieren keinen Strom.