Dotierung

Lexikon der Photovoltaik-Begriffe

In der Photovoltaik bezeichnet Dotierung (nach lat. dos: “Mitgift, Gabe” und dotare: “bereichern”) das Anreichern einer Schicht des Halbleitermaterials (meist Silizium) durch Atome eines Fremdelements (wie z.B. Aluminium oder Phosphor).

Ziel der Dotierung ist es, durch Elektronenüberschuss bzw. Elektronenmangel die Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials zu beeinflussen. Dabei genügt eine geringe Menge eingebrachter Fremdatome – in einem Bereich von 1 Teilchen pro 10.000 (100 ppm) bis zu 1 Teilchen pro 10 Millliarden (0,1 ppb) -, um sogenannte Störstellen im Halbleitermaterial zu bilden, die den jeweils gewünschten Effekt erzielen. Durch Dotierung kann die Leitfähigkeit von Silizium um den Faktor 10⁶ gesteigert werden.

Dotierung von Solarzellen

Bei der Solarzelle hat die Dotierung das Ziel, die Leitfähigkeit des Siliziums

• in der sonnenzugewandten rezeptiven Schicht elektrisch negativ (n-Dotierung)
• und die Leitfähigkeit im Back Surface Field, der Rückseite der Solarzelle, elektrisch positiv (p-Dotierung)

zu beeinflussen.

Die Dotierung beruht darauf, dass im Kristall des Siliziums (oder vergleichbarer Haltleitermaterialien) die Atome mit jeweils 4 Außenelektronen miteinander verbunden sind (das Material ist “vierwertig”). Diese werden nun mit Elementen angereichert, die über 5 Elektronen (“fünfwertiges Material”) oder nur 3 Elektronen (“dreiwertiges Material”) verfügen. Durch die Unter- bzw. Überzahl an Elektronen wird das Kristallgitter “gestört”; die zusätzlichen bzw. fehlenden Elektronen setzen mit sehr geringem Widerstand eine Bewegung in Gang, d.h. – die Leitfähigkeit des Materials wird erhöht.

Die n-Dotierung

Bei der n-Dotierung wird die sonnenzugewandte n-Schicht des Halbleiters mit Fremdatomen angereichert, die fünf Außenelektronen besitzen (statt der vier des Halbleiters), – vorzugsweise sind dies Atome der Elemente

• Phosphor,
• Arsen
• oder Antimon.

Mit diesen fünfwertigen Atomen anstelle der vierwertigen des Ausgangsmaterials steht in der Kristallstruktur des Halbleiters ein zusätzliches, bewegliches Elektron zur Verfügung. Wegen dieses zusätzlich “gegebenen” Elektrons werden diese Dotierungsmaterialien als Elektronen-Donatoren (lat.: “Geber”) bezeichnet.

Wird eine elektrische Spannung angelegt, kann das zusätzliche, ungebundene Elektron Strom leiten. Dabei steht der ortsfesten, positiven Ladung des Donator-Atoms die bewegliche, negative Ladung des Elektrons gegenüber. “n-Dotierung” bezeichnet also die zusätzlich implantierte negative Ladung in der n-Schicht auf der Oberfläche der Solarzelle.

Die p-Dotierung

Bei der p-Dotierung werden in die p-Schicht auf der Rückseite der Solarzelle (“Back Surface Field“) solche Fremdatome eingebracht, die an Stelle der vier Außenelektronen des Ausgangsmaterials nur drei Außenelektronen besitzen – hier werden bevorzugt Elemente wie

• Aluminium,
• Bor,
• Indium
• oder Gallium

eingesetzt. Im Gegensatz zum vierwerten Halbleitermaterial stehen in den eingebrachten, dreiwertigen Materialien nur drei Elektronen für Atombindungen zur Verfügung – zur Vervollständigung der atomaren Bindungen innerhalb des Kristallgitters “fehlt” ein Elektron, es entsteht ein Loch in der Kristallstruktur (ein Defektelektron). Diese Leerstelle ist positiv geladen – wird nun eine Spannung angelegt, kann dieses positiv geladene Loch ein negativ geladenes Elektron aufnehmen. Wegen des zusätzlich aufgenommenen Elektrons werden diese Dotierungsmaterialien als Elektronen-Akzeptoren (lat.: “Nehmer”) bezeichnet.

Durch die elektrische Spannung angeregt, springt an anderer Stelle ein bewegliches, negativ geladenes Elektron aus seiner ursprünglichen Atombindung heraus, füllt das Loch auf, hinterlässt dabei aber an seiner Ursprungsstelle wiederum ein Loch mit demselben Schicksal: Ein negatives Elektron füllt es auf, hinterlässt wiederum ein Loch usw. – ein Elektronenfluss entsteht, oder besser gesagt: Strom fließt.

Dabei steht der ortsfesten negativen Ladung des Akzeptor-Atoms die bewegliche, positive Ladung des Lochs gegenüber. “p-Dotierung” bezeichnet also das zusätzlich eingebrachte positive Ladung in der p-Schicht auf der Rückseite der Solarzelle.

Löcher und Elektronen bewegen sich dabei jeweils in Gegenrichtung.

Dotierungsgrade

Dotierungen werden in unterschiedlichen Grade unterteilt. Dabei werden starke, mittlere und schwache Dotierungen mit den folgenden Symbolen unterschieden.

• Starke Dotierung: n+ bzw. p+,
• mittlere Dotierung: n bzw. p
• und schwache Dotierung: n– bzw. p–.

Die Dotierung der p-Schicht, z.B. mit Aluminium, ist i.d.R. eine p+-Dotierung.

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