37.4 Optische Stromquellen (Umwandlung von optischer in

Kapitel 37: Gleichstromquellen
477
gleiche Tabelle sind auch noch die Austrittsarbeiten der Metalle mitaufgenommen worden.
Die in diesem Abschnitt und im vorigen Kapitel erwähnte Austrittsarbeit eines l\TetaUs läßt sich auf zwei Weisen experimentell bestimmen:
(a) optisch: ein Photon von genügend großer Quantenenergie hv > ifj vermag Elektronen aus d r Oberfläche eine Metall herauszuschlagen. Da die E lektronen auf
diese Weise ins angI'enzende Vakuum befördert werden, spricht man hier vom äußeren Photoeffekt. Er wird bei der Behandlung der Quantenoptik genauer besprochen
werden . Dieser Effekt bildet die physikalische Grundlage der sogenannten VakuumPhotozellen, die zur Lichtintensitätsmessung verwendet werden.
(h) thermisch: Bei genügend hoher Temperatur kann die Austrittsarbeit thermisch
aufgebracht werden (glühelektrischer Effekt oder Richardson-Effekt)8. Der Elektronenstrom ins umgebende Vakuum läßt sich messen. Er ist über einen Boltzmannfaktor direkt mit der Austritt arbeit verknüpft:
n-Si +
(a)
c
.Q
"§
C
~
1017 r--3
cm
r
p-Si
I
-x
-=--.--==----,
10
10
c
(b) ~
(37.7)
Der glühelektri ehe Effekt wird in Vakuurnrölu'en (Verstärkerröhren Fernsehrähren
usw. ) zur Erzeugung von Elektronen verwendet.
37.4
Optische Stromquellen (Umwandlung
von optischer in elektrische Energie)
In der Palette der Gleichstromquellen fehlen uns nun noch diejenigen) bei
denen eine direkte Umwandlung von optischer in elektrische Energie stattfindet: Die Photoelemente Sonnenbatterien oder Solarzellen. Im Prinzip
gehören hierher auch die Vakuumphotozellen die im vorigen Abschnitt
kurz erwähnt wurden. Festkörper-Solarzellen beruhen auf dem sogenannten inneren Photoeffekt. Eingestrahlte Photonen befreien Elektronen aus
ihren Bindungen im Kristall. Diese werden beweglich und können mit einem angeschlossenen Strom-Meßinstrument nachgewiesen werden. Durch
den Primär akt der Photoionisation verlassen die Ladung träger den Kristall aber nicht; sie bleiben im Innern.
pn-Übergänge in Halbleitern bilden die Basis dieser Photoelemente. Sie
seien am Beispiel des Halbleiters Silizium erläutert. Wir wissen: Durch
dreiwertige Dotierungen erhalten wir p-Ieitendes, durch fünfwertige Dotierungen n-leitendes Silizium. Beide Materialien sind von Hause aus elektrisch neutral. Die Kontaktschicht bildet den pn-Übergang. Dieser i t in
Fig. 37.lla schematisch gezeichnet. n-Silizium enthält Elektronen al Überschußladungen (Konzentration ~ 10 16 cm- 3 )) p-Silizium eine entsprechende
Konzentration von Defektelektronen.
An der Kontaktstelle )sehen die Elektronen die Löcher und diffundieren ins p-Material hinüber. Es entsteht ein Konzentrationsverlauf wie in
Fig. 37.11b gezeichnet. Durch das Hinüberdiffundieren der Elektronen lädt
sich die n-Schicht positiv) die p-Schicht negativ auf. Die entstehende Dichte der jeweiligen Überschußladung p(x) ist in der Teilfigur 37.llc wiedergegeben. Durch das Übertreten d er Elektronen entsteht damit in der pn-
9-
~
C
.l!l
o
(e) Cl.
Fig. 3 7.11: pn-Übergang in Silizium als Photodiode.
(a) pn-Sehicht in einem Silizium tück (schematisch);
(b) Verla uf der Ladung träger-Konzentrationen; im p-Silizium ist di Konzentration der
positiven Ladungsträger groß, die der negativen gering' im n-Silizium i t es umgekehrt.
(e) Räumliche Verteilung der Überschußladung p(x) die sieb durch den Übertritt yon
Elektronen ins p-Material und von Löchern inn-~ Iaterial einstellt.
(d) Feldverteilung D(x) bzw. E(x); der Ladungsübergang bewirkt den Aufbau eines elektri ehen Feldes.
(e) Potential verteilung cp(x) in der chieht.
Dw-ch in in der pn-Schicht ab. orbi rte
P hoton hv werden im 1Iaterial Ladung n
(Elektron-Loch-Paare) freige etzt; der ent tehende Photo trom wird gerne en.
Owen Williams Richardson 1 79-1959
Teil C: Elektrik
478
Kapitel 37: Gleichstromquellen
Grenzschicht ein elektrisches Feld E, das parallel x gerichtet und bei x == 0
am stärksten ist. Man erhält den in Fig. 37.lld gezeichneten räumlichen
Feldverlauf aus der Integration über die Über chußladungsdichte:
J
x
D(x) = ccoE(x) =
p(x) dx.
(37.8)
Eine nochmalige Integration liefert schließlich auch den Potentialverlauf
J
x
cp(x) = -
E(x) dx.
(37.9)
- 00
Den räumlichen Verlauf der Ladungsdichte des elektrischen Feldes und des
Potentials kann man ohne Rechnung intuitiv nachempfinden.
t
tl
300 ll
~s
n-Si
!:
p-Si
CdS
L--_~
Fig. 97.12: Dickschicht- und Dünn chicht-Solarzellen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Die elektrisch leitenden Kontaktierungen
auf der Unter- bzw. Oberseite müssen so lichtdurchlässig sein daß das Licht bis in die pnSchicht vordringen kann.
Teil C: Elektrik
Das Übertreten der Elektronen hat also eine Potentialdifferenz C::..cp zur Folge
(Fig. 37.11e) . Fällt nun Licht genügend hoher Photonenenergie hv auf
die pn-Übergangsschicht, werden dort durch Anheben von Elektronen aus
dem Valenz- ins Leitungsband Elektron-Defektelektron-Paare erzeugt, die
im inneren Feld E sofort getrennt werden und zu einem Photostrom Anlaß
geben.
Die realen Konstruktionen von sogenannten Dickschicht-Photoelementen
auf Si-Basis und die von kostengünstigeren Dünnschicht-Photoelementen
auf der Basis der Halbleiter CdS/Cu2S sind in Fig. 37.12 wiedergegeben.
Auf das einseitig metall-kontaktierte Substrat (p-Silizium bzw. Kadmiumsulfid) wird der zweite Halbleiterteil aufgedampft und dieser wiederum mit
einem transparenten, elektrisch leitenden Oberflächenkontakt versehen. Die
Konstruktion ist so arrangiert, daß einfallende Photonen sicher bis in die
pn-Schicht vordringen können.
Besonders die DÜDnschicht-Konstruktion eignet sich zur Herstellung kostengünstiger, großflächiger Solarzellen. Sie bilden die Basis der SatellitenStromversorgung. Silizium-Photoelemente werden in Belichtungsmes ern
von Photoapparaten eingesetzt. Der Wirkungsgrad dieser opti eh-elektrischen Energieumwandlung liegt heute bei 10- 15%.
Kapit 137: Gleichstromquellen
31.5
479
Zusammenfassung
Chemische Stromquellen
Primäre Elemente (Batterien)
Element:
Zellenreaktion :
Zn jMn02Batterie
Zn + 2Mn02
Cd/HgBatterie
LiMn0 2Batt rie
Zellenspannung
+2
-t
2MnOOH + Zn(NH 3 hCI 2
1,5 V
Cd+HgO
-t
Hg+CdO
IV
Li +
-t
1nLi0 2
3,5
H 4 Cl
1n02
S kundäre Elemente (Akkumulatoren)
I
Zellenpannung
Element:
Zellenr aktion:
Blei-Akku
Pb + Pb0 2 + 2H 2
04~
2PbS0 4
+ 2H 2O
2V
ijFe-Akku
Fe + 2 Ji(OHh
~
Fe(OHh + 2 Ti(OHh
1.4
i/Cd-Akku
Cd + 2Ni(OHh
~
Cd(OHh + 2Ni(OHh
1.2 V
Thermoelektrizität
Ja: W ärmestromdichte
JQ =
- II · Jel
(II : Peltierkoeffizient)
....
Thermoelektrischer Eft kt: JQ
....
-t
Je!
I
....
Pelti r-Effekt: Je!
Jet=
elektr.
Stromdichte
....
-t
JQ
TI il C: EI ktrik