Essay über Photovoltaik
Werbung
Photovoltaik – physikalisch Abstract A solar cell works with two major principles: the inner photoelectric effect and specific characteristics of semiconductors. By adding minute quantities of suitable atoms to the semiconductor, which is called doping, some additional energy levels between valence band and conduction band are formed. There are two important different types of doping. The n-type semiconductor contains weakly bound valence electrons and the p-type semiconductor contains places in the lattice, called holes, which can easily be filled by electrons. At the junction where p-type and n-type meet, a depletion layer, consisting of a negatively charged layer in the p-region and a positively charged layer in the n-region, is built up, because free electrons from the n-type semiconductor near the junction fall into the holes of p-type semiconductor. With the energy of the sunlight, lots of electrons are able to get into the conduction band to become free charge carriers. The charged layers generate an electric field which is responsible for the movement of these new charge carriers. So the charge carriers are moved to their respective poles and can be tapped as electric current by use of contacts. Der Begriff Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Wort für „Licht“ (ijޒȢ, phos, im Genitiv: ijȦIJȩȢ, photos) und der Einheit für die elektrische Spannung, dem Volt (nach Alessandro Volta) zusammen. Unter Photovoltaik versteht man die direkte Übertragung von Sonnenlicht in elektrischen Strom mittels Solarzellen. Dabei spielen der sogenannte innere Photoeffekt und bestimmte Eigenschaften der für die Solarzellen verwendeten Halbleitermaterialien eine zentrale Rolle. Halbleiter Die Solarzellen bestehen aus aufeinandergelegten, dotierten (d.h. gezielt verunreinigten) Halbleitern. Halbleiter sind Materialien, die weder vollständig leiten, noch vollständig isolieren. Die gebräuchlichsten Halbleiter sind Silizium, Germanium, Selen, Tellur sowie einige chemische Verbindungen wie zum Beispiel Galliumarsenid. Um einen Halbleiter leitend zu machen, muss ihm Energie zugeführt werden, zum Beispiel in Form von Sonnenlicht oder Wärmeenergie. Bei tiefen Temperaturen sind alle Halbleiter Isolatoren, aber schon bei Zimmertemperatur können einzelne Elektronen ihre “Stammatome“ verlassen und stehen als freie Ladungsträger zur Verfügung. In einem Atom sind die einzelnen Elektronen auf sogenannte Energieniveaus verteilt. In Halbleitermaterialien, spricht man von Energiebändern, da die vielen auftretenden Subniveaus breitere Energiebereiche bilden. Sie entstehen aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Atomen. Das Bändermodell ist ein praktisches Modell für die Darstellung der erreichbaren Energiezustände von Elektronen und ermöglicht die Erklärung der Leitfähigkeit von verschieden Stoffen. Bei tiefen Temperaturen besetzen die Elektronen des Halbleitermaterials die Energieniveaus bis zum oberen Rand des sogenannten Valenzbandes. Erst wenn sie durch Energiezufuhr in das darüber liegende Leitungsband gehoben werden, stehen sie als freie Ladungsträger zur Verfügung. Bei Isolatoren gibt es eine größere Bandlücke (=Abstand zw. zwei Bändern) zwischen dem Valenzband und dem darüber liegenden Leitungsband. Bei Leitern überlappen sich diese beiden Bänder. Halbleiter haben eine sehr viel kleinere Bandlücke als Isolatoren. Dotieren Um die Leitfähigkeit des Halbleiters zu erhöhen, werden gezielt Fremdatome eingebracht, die zusätzliche Energieniveaus nahe dem Leitungsband schaffen und somit die Bandlücke verkleinern. Dieser Vorgang wird als Dotierung bezeichnet. Man unterscheidet in Elektronenmangelleiter (p-Halbleiter) und Elektronenüberschussleiter (n-Halbleiter). Bei n-Halbleitern sind diese Energieniveaus durch Elektronen besetzt und liegen knapp unterhalb des Leitungsbandes. Bei p-Halbleitern entstehen unbesetzte Energieniveaus knapp oberhalb des Valenzbandes. Ein Siliziumatom besitzt vier Valenzelektronen (=Außenelektronen), das heißt es benötigt noch vier weitere Elektronen, um einen stabilen Zustand mit acht Außenelektronen zu erreichen. Eine reine Siliziumkristallstruktur sähe in etwa so aus: (grobes Modell!) Es stehen keine freien Elektronen als Ladungsträger zur Verfügung. n-Dotierung: Wird zum Beispiel Silizium mit Phosphoratomen (diese verfügen jeweils über fünf Valenzelektronen) dotiert, entstehen dort überschüssige, schwach gebundene Elektronen, welche durch Energiezufuhr aus dem starren Energieverband herausgelöst werden können und als freie Ladungsträger im Halbleiter zur Verfügung stehen. p-Dotierung: Wird nun aber Silizium mit Boratomen (diese verfügen jeweils nur über drei Valenzelektronen) dotiert, entstehen dort sogenannte "Elektronenfehlstellen" (auch "Löcher" oder "Defektelektronen" genannt). Die Elektronenfehlstellen verhalten sich wie frei bewegliche, positive Ladungsträger da durch das Herauslösen der Elektronen wieder Löcher entstehen. Diese fallen wieder in Löcher usw. In der Solarzelle werden eine p-dotierte und eine n-dotierte Schicht miteinander in Kontakt gebracht. In der n-Schicht (meist ein Siliziumkristall mit Phosphor dotiert) befinden sich neben den Siliziumatomen viele Phosphoratome mit schwach gebundenen Elektronen. In der p-Schicht (meist ein Siliziumkristall mit Bor dotiert) befinden sich abgesehen von den Siliziumatomen Boratome mit Defektelektronen. pn-Übergang Der pn-Übergang bildet die Basis für das Funktionieren der Solarzelle und für elektronische Bauteile wie Dioden und Transistoren. Am Übergang zwischen den beiden Schichten diffundieren 1 Elektronen aus der n-Schicht in die p-Schicht und besetzen dort vorhandene Löcher (Rekombination). In der Folge baut sich eine Sperrschicht auf – eine negativ geladene Zone der p-Schicht steht einer positiv geladenen Zone in der n-Schicht gegenüber. Die weißen Punkte stellen die Löcher und die roten Punkte die überschüssigen Elektronen dar. 1 diffundieren … durch thermische Stöße bewegen Hier kommt nun der innere photoelektrische Effekt (=Photoeffekt) ins Spiel. Um Elektronen aus der rekombinierten Sperrschicht zu schlagen, bedarf es Energie. Die Photonen (=Lichtteilchen), welche die Sonne auf die Erde schickt, beinhalten genug Energie, um viele der Elektronen in das Leitungsband zu heben. Diese werden zu freien Ladungsträgern. Die geladenen Zonen der Sperrschicht lassen ein elektrisches Feld entstehen, das die erneute Rekombination eines Paares verhindert und die neu entstandenen Ladungsträger durch den Leiter bewegt. Es entsteht elektrischer Strom. Melina Gstrein & Theresa Kathrein 7B Verwendete Literatur: http://www.youtube.com/watch?v=GjWNi-TcYL8 http://solar.liebfrauenschule-sigmaringen.de/pv_anlagen/index.php?section=funktionsweise http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle Physik Teil 5, Sexl/Raab/Streeruwitz 1978 Physik für Wissenschaftler und Ingenieure, Tipler/Mosca 2009 Bildnachweis: http://www.quarkology.com/12-physics/94-ideas-implementation/94C-Semiconductors.html http://olli.informatik.uni-oldenburg.de/weTEiS/weteis/halbleiter.htm http://www.filmscanner.info/CCDSensoren.html http://www.tu-chemnitz.de/etit/microtec/lehre/schuelerarbeit_solarneu/ http://www.meritnation.com/discuss/question/558279/0/q-explain-the-formation-of-depletion-layerand-potentia http://solar.liebfrauenschule-sigmaringen.de/pv_anlagen/index.php?section=funktionsweise
