Das Wichtigste in Kürze
Ein Halbleiter ist ein Material, das Strom besser leitet als ein Isolator, aber schlechter als ein Metall. Seine Leitfähigkeit lässt sich durch Licht, Wärme und Fremdatome gezielt verändern. Das macht ihn zur Grundlage von Solarzellen, Chips und Leuchtdioden.
- Wichtigstes Material: Silizium, rund 95 % der verkauften Solarmodule laut US-Energieministerium
- Bandlücke Silizium: 1,1 Elektronenvolt
- Bandlücke Siliziumkarbid und Galliumnitrid: 3,3 und 3,4 Elektronenvolt
- Dotierung: Phosphor ergibt n-Typ, Bor ergibt p-Typ
- Siliziumzellen im Labor: Wirkungsgrade über 27 %, Module in der Praxis 20 bis 22 %
- Tandemzellen aus Perowskit und Silizium: im Labor fast 34 %
Was ist ein Halbleiter?
Ein Halbleiter ist ein Material, das elektrischen Strom besser leitet als ein Isolator, aber nicht so gut wie ein Metall. So beschreibt es das US-Energieministerium. Der Name sagt es schon: Das Material leitet nur halb, und genau das ist sein Vorteil.
Ein Kupferdraht leitet immer, eine Glasscheibe nie. Ein Halbleiter lässt sich dazwischen einstellen. Licht, Wärme oder gezielt eingebrachte Fremdatome verändern, wie gut er Strom durchlässt. Dadurch kann er schalten, verstärken, leuchten oder aus Licht Strom machen.
Das bekannteste Halbleitermaterial ist Silizium. Es ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste. Aus Silizium bestehen Computerchips ebenso wie die meisten Solarzellen. Im Englischen heißt der Halbleiter Semiconductor.
Im Alltag werden beide Wörter gleich gebraucht. Genau genommen ist der Halbleiter das Material. Ein Chip ist ein Bauteil, das aus diesem Material gefertigt wird und viele winzige Schalter auf kleinster Fläche vereint.
Wie funktioniert ein Halbleiter?
Ein Halbleiter leitet Strom erst, wenn seine Elektronen genug Energie bekommen, um sich vom Atom zu lösen. Die Energie, die dafür mindestens nötig ist, heißt Bandlücke. Sie wird in Elektronenvolt angegeben, kurz eV.
Man kann sich die Bandlücke wie eine Stufe vorstellen. Unterhalb der Stufe sitzen die Elektronen fest an ihren Atomen. Oberhalb können sie sich frei durch das Material bewegen und Strom transportieren. Bei einem Metall gibt es keine Stufe, bei einem Isolator ist sie zu hoch. Beim Halbleiter ist sie niedrig genug, dass Licht oder Wärme ein Elektron hinaufheben können.
Für die Photovoltaik ist das entscheidend. Laut US-Energieministerium bestimmt die Bandlücke, welche Wellenlängen des Lichts ein Material aufnehmen und in elektrische Energie umwandeln kann. Trifft Licht auf den Halbleiter, geht seine Energie auf Elektronen über, die dann als Strom fließen. Diesen Vorgang beschreibt der Beitrag zum Photoeffekt.
Halbleiter, Leiter und Isolator im Vergleich
Leiter, Halbleiter und Isolator unterscheiden sich darin, wie leicht sich ihre Elektronen bewegen lassen. Beim Leiter sind sie immer frei, beim Isolator praktisch nie. Der Halbleiter liegt dazwischen und reagiert auf äußere Einflüsse.
| Eigenschaft | Leiter | Halbleiter | Isolator |
|---|---|---|---|
| Leitfähigkeit | Sehr hoch | Einstellbar | Sehr gering |
| Bandlücke | Keine | Klein bis mittel | Groß |
| Bei Erwärmung | Leitet schlechter | Leitet besser | Kaum Änderung |
| Beispiele | Kupfer, Aluminium, Silber | Silizium, Germanium, Galliumarsenid | Glas, Keramik, Gummi |
| In der Solaranlage | Solarkabel, Kontakte | Solarzellen, Wechselrichter | Kabelmantel, Folien, Gehäuse |
Das Verhalten bei Wärme zeigt den Unterschied am deutlichsten. In einem Metall behindern die schwingenden Atome den Strom, es leitet warm schlechter. In einem Halbleiter setzt die Wärme zusätzliche Elektronen frei, er leitet warm besser. Halbleiter heißen deshalb auch Heißleiter.
Dotierung: p-Typ und n-Typ
Dotierung ist das gezielte Einbringen von Fremdatomen in einen Halbleiter, um die Zahl seiner beweglichen Ladungen zu verändern. Reines Silizium leitet kaum. Erst winzige Mengen eines anderen Elements machen daraus ein brauchbares Bauteil.
Ein Siliziumatom hat vier Außenelektronen, mit denen es sich an vier Nachbarn bindet. Setzt man ein Atom mit fünf Außenelektronen ein, zum Beispiel Phosphor, bleibt ein Elektron übrig und kann sich frei bewegen. Das ergibt den n-Typ, n steht für negativ.
Setzt man ein Atom mit nur drei Außenelektronen ein, zum Beispiel Bor, fehlt ein Elektron für die vierte Bindung. Diese Fehlstelle heißt Loch. Sie kann von Atom zu Atom wandern und verhält sich wie eine positive Ladung. Das ergibt den p-Typ, p steht für positiv.
| Merkmal | n-Typ | p-Typ |
|---|---|---|
| Fremdatom, Beispiel | Phosphor | Bor |
| Außenelektronen des Fremdatoms | 5 | 3 |
| Bewegliche Ladung | Überzählige Elektronen | Löcher |
| Ladung | Negativ | Positiv |
Wo eine n-Schicht und eine p-Schicht aneinanderstoßen, entsteht ein elektrisches Feld. Es treibt Elektronen in die eine und Löcher in die andere Richtung. Dieser pn-Übergang trennt in jeder Solarzelle die vom Licht freigesetzten Ladungen. Dasselbe Prinzip steckt in jeder Diode, auch in der Bypass-Diode eines Solarmoduls.
Halbleitermaterialien im Überblick
Halbleitermaterialien unterscheiden sich vor allem in ihrer Bandlücke, und die Bandlücke bestimmt den Einsatz. Eine kleine Lücke eignet sich für Wärmestrahlung, eine mittlere für Sonnenlicht, eine große für hohe Spannungen und blaues Licht.
| Material | Bandlücke | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| Silizium | 1,1 eV | Solarzellen, Chips, Transistoren |
| Germanium | 0,7 eV | Infrarotsensoren, Spezialzellen |
| Galliumarsenid | 1,4 eV | Hochfrequenztechnik, Solarzellen für die Raumfahrt |
| Cadmiumtellurid | keine Angabe in der Quelle | Dünnschichtmodule, nach Silizium das zweithäufigste Material |
| Siliziumkarbid | 3,3 eV | Wechselrichter, Elektroautos |
| Galliumnitrid | 3,4 eV | Leuchtdioden, Netzteile |
| Perowskite | einstellbar | Tandemzellen in der Entwicklung |
Silizium ist der Standard, weil es drei Dinge verbindet: hohen Wirkungsgrad, niedrige Kosten und lange Lebensdauer. So begründet es das US-Energieministerium. Dazu kommt, dass der Rohstoff fast unbegrenzt vorhanden ist. Die Bauformen beschreiben die Beiträge zu monokristallinen und polykristallinen Solarmodulen.
Halbleiter in Solarzellen
In einer Solarzelle ist der Halbleiter das Bauteil, das Licht in Strom verwandelt. Eine Schicht Silizium nimmt das Licht auf, die Energie regt Elektronen an, und der pn-Übergang lenkt sie zu den Kontakten. Heraus kommt Gleichstrom.
Wie viel vom Licht zu Strom wird, gibt der Wirkungsgrad an. Zellen aus monokristallinem Silizium erreichen laut US-Energieministerium unter idealen Laborbedingungen mehr als 27 %. Industriell gefertigte Module kommen in der Praxis auf 20 bis 22 %. Der Unterschied entsteht durch Rahmen, Zellabstände, Glas und die Bedingungen im Freien. Mehr dazu steht in den Beiträgen zum Zellwirkungsgrad und zum Modulwirkungsgrad.
Angaben des US-Energieministeriums.
Bei den Zellen findet ein Wechsel statt, der direkt mit der Dotierung zu tun hat. Lange bestand der Grundkörper der Zelle aus p-Typ Silizium, so auch bei der verbreiteten PERC-Zelle. Das US-Energieministerium beschreibt einen Übergang zu n-Typ Techniken wie der Heterojunction-Zelle. Für Käufer zeigt sich das im Datenblatt am Hinweis n-Typ.
Die Lebensdauer ist die zweite Stärke des Siliziums. Module sollen 25 Jahre und länger halten und danach noch mehr als 80 % ihrer ursprünglichen Leistung bringen. Der jährliche Leistungsverlust liegt laut US-Energieministerium unter 1 %. Was das für den Ertrag heißt, erklärt der Beitrag zur Degradation.
Wärme ist der natürliche Gegenspieler. Ein warmer Halbleiter leitet zwar besser, die Spannung der Solarzelle sinkt aber, und mit ihr die Leistung. Wie stark, steht als Temperaturkoeffizient im Datenblatt. Eine gute Hinterlüftung hält die Module kühler.
Wide-Bandgap-Halbleiter: Siliziumkarbid und Galliumnitrid
Wide-Bandgap-Halbleiter sind Materialien mit einer deutlich größeren Bandlücke als Silizium. Die beiden wichtigsten sind Siliziumkarbid mit 3,3 eV und Galliumnitrid mit 3,4 eV. Silizium kommt auf 1,1 eV. Der englische Name bedeutet schlicht breite Bandlücke.
Die große Lücke macht die Bauteile robuster. Nach einem Faktenblatt des US-Energieministeriums arbeiten sie bei Temperaturen über 300 °C. Sie vertragen mehr als zehnmal höhere Spannungen und mindestens zehnmal höhere Schaltfrequenzen als Bauteile aus Silizium. Beim Umwandeln von Strom lassen sich damit bis zu 90 % der Verluste vermeiden.
Vorteile
- Geringere Verluste beim Schalten und Umwandeln
- Betrieb bei höheren Temperaturen, weniger Kühlung nötig
- Kleinere und leichtere Geräte bei gleicher Leistung
Nachteile
- Teurere Ausgangsscheiben als bei Silizium
- Aufwendigere Fertigung
- Schaltungen müssen an die Bauteile angepasst werden
Für Besitzer einer Solaranlage wirkt sich das im Wechselrichter aus. Er wandelt den Gleichstrom der Module in Wechselstrom um, und dabei geht ein kleiner Teil als Wärme verloren. Wechselrichter mit Wide-Bandgap-Bauteilen können diese Verluste laut US-Energieministerium um 50 % senken. In Leuchtdioden steckt Galliumnitrid schon lange: Ohne dieses Material gäbe es kein weißes LED-Licht.
Perowskit und Tandemzellen
Perowskite sind eine Familie von Halbleitermaterialien, die hohe Leistung bei niedrigen Herstellungskosten versprechen. Die in der Photovoltaik genutzten Verbindungen bestehen aus organischen Ionen, Metallen und Halogenen. Sie lassen sich bei niedrigen Temperaturen verarbeiten und brauchen viel dünnere Schichten als Silizium.
Kein anderes Solarmaterial hat sich im Labor so schnell verbessert. Der Wirkungsgrad kleiner Perowskit-Zellen stieg laut US-Energieministerium von etwa 3 % auf über 26 %. Gemessen wurde das an Zellen von rund 0,1 Quadratzentimetern, also kleiner als ein Fingernagel.
Die größte Hoffnung ruht auf der Tandemzelle. Dabei liegt eine Perowskit-Schicht auf einer Siliziumzelle. Jede Schicht nutzt einen anderen Teil des Sonnenlichts, weil ihre Bandlücken verschieden sind. Bei Perowskiten lässt sich die Bandlücke über die Zusammensetzung einstellen, sie passen sich also dem Partner an. Solche Tandemzellen haben im Labor fast 34 % erreicht.
Perowskit-Solarzellen werden laut US-Energieministerium noch nicht in großem Maßstab gefertigt. Als erste Hürde nennt das Ministerium Stabilität und Haltbarkeit. Um wirtschaftlich zu sein, müssen die Zellen 20 Jahre im Freien überstehen. Für eine Dachanlage bleibt Silizium deshalb die verlässliche Wahl. Den Stand der Technik beschreibt der Beitrag zu Perowskit-Solarzellen.
Praxis: Wo Halbleiter in Ihrer Solaranlage stecken
In einer Solaranlage arbeiten Halbleiter an mindestens vier Stellen: in den Zellen, in den Dioden der Module, im Wechselrichter und in der Steuerung. Wer das weiß, liest ein Datenblatt mit anderen Augen.
| Bauteil | Aufgabe des Halbleiters | Darauf im Datenblatt achten |
|---|---|---|
| Solarzelle | Wandelt Licht in Gleichstrom | Zelltyp, n-Typ oder p-Typ, Wirkungsgrad |
| Bypass-Diode im Modul | Leitet Strom an verschatteten Zellen vorbei | Anzahl der Dioden je Modul |
| Wechselrichter | Schaltet Gleichstrom zu Wechselstrom | Wirkungsgrad, Kühlung |
| Speicher und Steuerung | Regelt Laden, Entladen und Messen | Wirkungsgrad des Gesamtsystems |
Drei Angaben im Moduldatenblatt gehen direkt auf den Halbleiter zurück. Der Wirkungsgrad sagt, wie viel Licht zu Strom wird. Der Temperaturkoeffizient sagt, wie viel Leistung an heißen Tagen verloren geht. Und die Leistungsgarantie sagt, wie langsam das Material altert.
- Wirkungsgrad vergleichen, wenn die Dachfläche knapp ist
- Temperaturkoeffizient vergleichen, wenn das Dach im Sommer sehr heiß wird
- Leistungsgarantie in Jahren und Prozent ansehen
- Beim Wechselrichter auf Wirkungsgrad und Garantie achten, nicht auf Schlagwörter
Welche Leistung ein Modul auf dem Papier hat, erklärt der Beitrag zur Nennleistung. Wie viel Strom Ihr Dach liefern kann, zeigt der Solarrechner.
Vom Quarz zur Solarzelle
Der Weg vom Rohstoff zur Solarzelle führt über vier Hauptschritte: Silizium reinigen, Kristall ziehen, Scheiben sägen, Zelle fertigen. So gliedert es das US-Energieministerium.
- ReinigenAbgebauter Quarz wird zu Solarsilizium gereinigt.
- Kristall ziehenDas Silizium wird geschmolzen, aus der Schmelze wird ein runder Einkristall gezogen.
- SägenDiamantdrahtsägen schneiden den Kristall in dünne Scheiben, die Wafer.
- Zelle fertigenDie Scheiben werden dotiert, beschichtet und mit Kontakten versehen.
Im letzten Schritt entsteht der pn-Übergang. Eine Antireflexbeschichtung sorgt dafür, dass möglichst wenig Licht zurückgeworfen wird. Feine Metallbahnen sammeln den Strom ein. Die fertigen Zellen werden zu einem Solarpanel verschaltet.
Häufige Fragen zu Halbleitern
Was ist ein Halbleiter einfach erklärt?
Ein Halbleiter ist ein Material, das Strom besser leitet als ein Isolator, aber schlechter als ein Metall. So beschreibt es das US-Energieministerium. Seine Leitfähigkeit lässt sich durch Licht, Wärme und gezielt eingebrachte Fremdatome verändern. Das bekannteste Halbleitermaterial ist Silizium.
Wie nennt man Halbleiter noch?
Das englische Wort für Halbleiter ist Semiconductor. Im Alltag wird Halbleiter oft mit Chip oder Mikrochip gleichgesetzt. Genau genommen ist der Halbleiter das Material und der Chip ein Bauteil, das daraus gefertigt wird.
Wo findet man Halbleiter im Alltag?
Halbleiter stecken in fast jedem elektrischen Gerät: als Prozessor und Speicher in Smartphone und Computer, als Leuchtdiode in Lampen und Bildschirmen, als Sensor in Kameras und Autos. In einer Solaranlage sind die Solarzellen selbst Halbleiter, dazu kommen die Schaltelemente im Wechselrichter.
Warum sind Halbleiter für Solarzellen so wichtig?
In einer Solarzelle nimmt ein Halbleiter das Licht auf. Die Energie des Lichts geht auf Elektronen im Material über, die dadurch als Strom fließen können. Ohne Halbleiter gäbe es diese direkte Umwandlung von Licht in Strom nicht. Rund 95 Prozent der verkauften Solarmodule bestehen laut US-Energieministerium aus Silizium.
Was ist der Unterschied zwischen p-Typ und n-Typ Halbleitern?
Ein n-Typ Halbleiter enthält Fremdatome mit einem Außenelektron mehr als Silizium, zum Beispiel Phosphor. Dadurch gibt es überzählige Elektronen. Ein p-Typ Halbleiter enthält Fremdatome mit einem Außenelektron weniger, zum Beispiel Bor. Dadurch entstehen Fehlstellen, die Löcher heißen und sich wie positive Ladungen verhalten.
Was ist die Bandlücke eines Halbleiters?
Die Bandlücke ist die Energie, die ein Elektron mindestens aufnehmen muss, um im Material frei beweglich zu werden. Sie wird in Elektronenvolt angegeben. Bei Silizium beträgt sie 1,1 Elektronenvolt. Die Bandlücke bestimmt, welche Wellenlängen des Lichts ein Material aufnehmen und in Strom umwandeln kann.
Was sind Wide-Bandgap-Halbleiter und wofür werden sie eingesetzt?
Wide-Bandgap-Halbleiter haben eine deutlich größere Bandlücke als Silizium. Siliziumkarbid kommt auf 3,3 und Galliumnitrid auf 3,4 Elektronenvolt. Laut US-Energieministerium vertragen Bauteile daraus Temperaturen über 300 Grad Celsius und mehr als zehnmal höhere Spannungen als Bauteile aus Silizium. Eingesetzt werden sie in Wechselrichtern, Elektroautos und Leuchtdioden.
Welche Rolle spielen Perowskit-Halbleiter in der Photovoltaik?
Perowskite sind eine Familie von Materialien, die Licht ähnlich gut in Strom umwandeln wie Silizium. Als zweite Schicht auf einer Siliziumzelle bilden sie eine Tandemzelle. Solche Zellen haben laut US-Energieministerium im Labor Wirkungsgrade von fast 34 Prozent erreicht. Größte offene Aufgabe ist die Haltbarkeit über viele Jahre im Freien.
Wie beeinflusst die Temperatur einen Halbleiter in der Solarzelle?
Wärme setzt in einem Halbleiter zusätzliche Elektronen frei, er leitet also besser. Für eine Solarzelle ist das trotzdem ein Nachteil, weil mit steigender Temperatur ihre Spannung sinkt und damit die Leistung. Wie stark, gibt der Temperaturkoeffizient im Datenblatt des Moduls an.
Fazit
Ein Halbleiter ist ein Material, dessen Leitfähigkeit sich steuern lässt. Aus dieser einen Eigenschaft folgen Solarzelle, Chip und Leuchtdiode. In der Photovoltaik ist Silizium der Standard: Rund 95 % der verkauften Module bestehen daraus, und sie halten 25 Jahre und länger.
Zwei Entwicklungen bauen darauf auf. Siliziumkarbid und Galliumnitrid machen Wechselrichter sparsamer. Perowskite sollen als zweite Schicht auf Silizium den Wirkungsgrad weiter anheben, müssen ihre Haltbarkeit aber erst beweisen. Für die eigene Anlage zählen drei Angaben im Datenblatt: Wirkungsgrad, Temperaturkoeffizient und Leistungsgarantie.
Quellen und Methodik
Definition, Bandlücken, Wirkungsgrade, Marktanteil und Lebensdauer stammen aus Veröffentlichungen des US-Energieministeriums. Die Angaben zur Dotierung folgen dem Lehrwerk PVEducation von C. Honsberg und S. Bowden. Wirkungsgrade sind als Untergrenzen formuliert, weil Laborrekorde weiter steigen. Die Vergleichstabelle der Materialklassen und die Praxistabelle sind Einordnungen von Solar.red.
- US-Energieministerium: Solar Photovoltaic Cell Basics - Definition, Bandlücke, Anteil von Silizium, Lebensdauer
- US-Energieministerium: Crystalline Silicon Photovoltaics Research - Wirkungsgrade, Herstellung, n-Typ Techniken
- US-Energieministerium: Perovskite Solar Cells - Wirkungsgrade, Tandemzellen, Hürden
- US-Energieministerium: Wide Bandgap Semiconductors, Faktenblatt - Bandlücken, Temperatur, Spannung, Verluste
- PVEducation: Doping - n-Typ, p-Typ, Außenelektronen, Löcher
Hinweis: Wirkungsgrade aus dem Labor gelten für kleine Zellen unter idealen Bedingungen und lassen sich nicht auf Module im Handel übertragen. Solar.red steht in keiner geschäftlichen Verbindung mit den genannten Einrichtungen.
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