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Solarzellen 06:15 min

Textversion des Videos

Transkript Solarzellen

Hallo und herzlich willkommen! Eine der größten Aufgaben unserer Zeit ist es, Energie aus erneuerbaren Energieträgern zu gewinnen, um auch in Zukunft auf dem Planeten Erde leben zu können. Der größte Lieferant erneuerbarer Energie ist die Sonne. Wie man mit Solarzellen aus Sonnenlicht elektrische Energie gewinnen kann, lernst du in diesem Video. Dazu wiederholen wir kurz, was eine Diode ist. Danach erkläre ich dir, wie eine Fotodiode Lichtenergie in elektrische Energie wandelt. Anschließend lernst du noch, wo die Photovoltaik Anwendung findet. Und damit kann es auch schon losgehen. Eine Diode besteht aus einer positiv und einer negativ dotierten Halbleiterschicht. Jede Schicht für sich ist neutral, da sie aus neutralen Atomen besteht. Allerdings existieren durch die Dotierung freie Ladungsträger. Wenn man die Schichten zusammenbringt, rekombinieren diese einen p-n-Übergang. Das heißt, dass die Ladungen sich neutralisieren. In der Umgebung des Übergangs gibt es dann keine freien Ladungsträger mehr. Dadurch ist die Grenzfläche nicht mehr elektrisch neutral. Die n-dotierte Schicht hat weniger negative Ladungen. Sie ist an der Grenzfläche positiv geladen. Bei der p-dotierten Schicht fehlen positive Ladungen. Sie ist an der Grenzfläche negativ geladen. Durch diese entgegengesetzten Raumladungen entsteht ein elektrisches Feld, was eine elektrische Spannung zufolge hat. Diese Spannung ist der Diffusionsbewegung der Ladungsträger entgegengerichtet und hindert diese daran, in die jeweils andere Schicht zu diffundieren. So stellt sich ein Gleichgewicht ein. Legt man nun eine äußere Spannung an, kann man dieses Gleichgewicht beeinflussen und so für jede Diode eine charakteristische Kennlinie aufnehmen. Aus dieser Kennlinie kann man die Schleusenspannung US in Durchlassrichtung ablesen, ab der die Diode leitet. Außerdem kann man aus der Kennlinie die Durchbruchspannung UBr ablesen, bei der die Diode in Sperrrichtung durchschlägt. Eine spezielle Form von Dioden sind Photodioden. Ihre Besonderheit ist, dass man mit ihnen aus Licht elektrische Energie gewinnen kann. Bei Photodioden bildet im Betrieb die n-dotierte Schicht den negativen Pol und die p-dotierte Schicht den positiven Pol einer Spannungsquelle. Das Schaltzeichen der Photodiode sieht folgendermaßen aus. Die n-dotierte Schicht ist ganz dünn, sodass Lichtteilchen, sogenannte "Photonen", durch sie hindurch bis zum p-n-Übergang durchdringen können. Photonen sind Träger der Energie des Lichts. Trifft ein solches Photon mit ausreichender Energie auf eines der neutralen Atome am p-n-Übergang, so schlägt es ein Elektron aus der Schale des Atoms. Wie viel Energie das Photon dafür braucht, ist materialabhängig. Die Energie des Photons wird dafür verwendet, entgegengesetzt geladene Teilchen voneinander zu entfernen. Die Strahlungsenergie wird in der Photodiode also in elektrische Energie umgewandelt. Es entstehen freie Ladungsträger, das Elektron und eine Elektronenfehlstelle, kurz Loch. Aufgrund des elektrischen Feldes am p-n-Übergang trennen sich die Ladungsträger. Die Elektronen sammeln sich am oberen Kontakt und die Löcher am unteren Kontakt. Ladungsträgertrennung führt zu einer elektrischen Spannung. Die Diode ist also eine Spannungsquelle. Die Spannung in einer Solarzelle bei offenem Stromkreis liegt unter einem Volt. Schließt man den Stromkreis, so misst man für unterschiedliche Bestrahlungsstärken E1 < E2 < E3 unterschiedliche Kennlinien. Die maximale elektrische Leistung P = U * I entspricht der größtmöglichen Fläche unter der Kennlinie. Die eben beschriebenen Vorgänge sind das Grundprinzip der Photovoltaik. Photovoltaik beschreibt die direkte Umwandlung von Licht- beziehungsweise Strahlungsenergie in elektrische Energie. Auf kleinstem Niveau geschieht das, wie eben beschrieben, in Fotodioden. Fasst man viele Fotodioden in einem Bauelement zusammen, so hat man eine Solarzelle. Diese Solarzellen findet man oft auf Hausdächern, aber auch an Taschenrechnern, Straßenlaternen und Parkautomaten. Schon heute decken Solarzellen an sonnenreichen Tagen den kompletten Strombedarf Deutschlands. Um angeben zu können, wie effektiv eine Solarzelle Strahlungsenergie in elektrische Energie wandelt, nutzt man den Wirkungsgrad Lambda λ. Er ist gleich dem Quotienten aus nutzbarer elektrischer Energie und einfallender Strahlungsenergie. Derzeit beträgt er bei praktischen Anwendungen je nach Bauart der Solarzelle zwischen 12 und 18 Prozent. Unter Laborbedingungen werden auch Wirkungsgrade von über 40 Prozent erreicht. Da Solarzellen die Möglichkeit bieten, Strom ohne Emission von Treibhausgasen oder Erzeugung von Atommüll zu erzeugen, wird in diesem Gebiet intensiv geforscht. So, was hast du eben gelernt? Trifft ein Photon auf den p-n-Übergang einer Photodiode, so schlägt es ein Elektron aus der Schale des Atoms und erzeugt so ein Elektronen-Loch-Paar. Die Elektronen und Löcher trennen sich und so entsteht eine elektrische Spannung zwischen den Kontakten. So wird Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie gewandelt. In Solarzellen sind viele dieser Photodioden in einem Bauteil zusammengefasst. Sie erreichen bei praktischen Anwendungen einen Wirkungsgrad zwischen 12 und 18 Prozent. In der Photovoltaik ruhen große Hoffnungen bezüglich der Erzeugung erneuerbarer Energie. Das war es zu den Solarzellen. Ich hoffe, du hast was gelernt. Tschüss und bis zum nächsten Mal!

Solarzellen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Solarzellen kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib an, was Solarzellen sind.

    Tipps

    Solarzellen sind zum Empfang des Sonnenlichts konstruiert.

    Sie sind Verbände aus elektronischen Bauelementen.

    Lösung

    Solarzellen sind technische Baugruppen, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Das Bauteil, das diese Funktion tatsächlich erfüllen kann, ist die Fotodiode. Man koppelt also mehrere Fotodioden zusammen und erhält damit eine Solarzelle. Mehrere Zellen werden dann wieder zu den plattenförmigen "Solarpaneelen" zusammengefaßt, die du von Bildern der Raumstation ISS oder Satelliten oder als bläulich glänzende Tafeln auf Hausdächern oder in sogenannten "Sonnenfarmen" kennst.

  • Gib an, was eine Diode ist.

    Tipps

    Das Schaltzeichen erinnert bildhaft an die wichtigste Eigenschaft.

    Lösung

    Dioden leiten den Strom richtungsabhängig. In Durchlassrichtung weisen sie einen niedrigen Widerstand auf, in Sperrrichtung einen hohen. In den ersten zwei Dritteln des zwanzigsten Jahrhunderts wurden Dioden meist als Vakuumröhren gebaut, seitdem fast ausschließlich als Halbleiter-Bauelemente.

  • Erläutere den Aufbau des p-n-Übergangs einer Halbleiterdiode.

    Tipps

    Aus den Ladungsbezeichnern in der Mitte kann man erschließen, welche Zonen in welchem Bereich dargestellt sind und welche charakteristischen Elemente der Zonen hervorgehoben sind.

    "Loch" oder "Defektelektron" oder "Akzeptor" oder "positiver Majoritätsladungsträger"
    "p-dotiert" oder "p-dotierte Zone" oder "p-Dotierung" oder "p-Typ" oder "p-Halbleiter"

    "Raumladungszone" oder "Sperrschicht" oder "Raumladungen" oder "Raumladung"

    "freies Elektron" oder "Elektron" oder "Donator" oder "negativer Majoritätsladungsträger"
    "n-dotiert" oder "n-dotierte Zone" oder "n-Dotierung" oder "n-Typ" oder "n-Halbleiter"

    Lösung

    In der Mitte liegen offenbar die beiden verschieden dotierten Halbleiter aneinander. Hier muss also die Sperrschicht sein, die als "Raumladungszone" ausgebildet wird.

    Aus den in diese Zone gezeichneten Vorzeichen ist alles übrige leicht zu erraten: Die Vorzeichen zeigen den Ladungsüberschuss an, also muss links in der RLZ ein Elektronenüberschuss herrschen.

    Da die RLZ dadurch wirkt, dass die ursprünglichen Potentialverhältnisse in ihr umgekehrt werden, muss die linke Seite offenbar die p-dotierte Schicht sein, in der ein Elektronenmangel herrscht (der nur in ihrem Teil der RLZ aufgehoben ist). So müssen also die weißen Kreise "Löcher" oder "Defektelektronen" bezeichnen (oder "Akzeptoratome" oder "positive Majoritätsladungsträger". Das ergäbe ja auch ein richtiges Schema). Für die rechte Seite gilt analog jeweils das Gegenteil.

  • Bestimme, wie sich die Kennlinie einer Fotodiode im Betrieb verändert.

    Tipps

    Freisetzung von Elektronen in der Raumladungszone durch Photoneneintrag.

    Die freigesetzten Elektronen können in den Teil der RLZ driften, der im n-Halbleiter liegt . Hier waren durch Diffusion aus Donatoratomen Kationen entstanden.

    Das bedeutet einen zusätzlichen Elektroneneintrag ins n-Gebiet, solange der Photonenstrom Energie liefert.

    Das n-Gebiet wird mit überschüssigen Elektronen versorgt.

    Elektronenüberschuss ist Ladungsüberschuss. Es bildet sich ein Potential. Wir haben eine Spannungsquelle, die Strom treiben kann, und zwar in Sperrrichtung.

    Lösung

    Die Bestrahlung des Halbleiters mit Licht löst Elektronen aus Gitteratomen. In der Raumladungszone des p-Halbleiters finden sich diese Elektronen in einem Bereich mit (negativ geladenen) Anionen des Akzeptors. Die herausgelösten Elektronen werden hier eher abgedrängt.

    Aber im gegenüberliegenden Gebiet der Raumladungszone, im n-Halbleiter, befinden sich (positiv geladene) Kationen des Donators. Die herausgelösten Elektronen können hier leicht eingebaut werden. Im n-Halbleiter steigt dadurch die Elektronendichte an: An der Kathode entsteht ein Überschuss an Elektronen, an der Anode Überschuss an Löchern. Die Diode kann so in Sperrrichtung Strom liefern.

    Wenn ohne Anlegen einer Spannungsquelle in Sperrrichtung Strom fließt, muss sich in der Kennlinie zeigen, dass bei $U=0 V$ ein Strom fließt, in Sperrrichtung. Die Kennlinie einer Fotodiode muss sich also bei Betrieb charakteristisch nach unten verschieben. Die Verschiebung wird quantitativ von der Intensität des Lichts abhängen, . Denn je intensiver das Licht, desto mehr Photonen fallen je Fläche und Zeiteinheit ein, desto mehr Elektronen können also je Zeiteinheit freigesetzt werden, und desto größer wird also der Strom sein.

  • Erkläre die Raumladungszone an der Grenzschicht zwischen p- und n-Halbleiter.

    Tipps

    p-dotierte Halbleiter haben Lücken in den Elektronen-Paar-Bindungen. Hier können freie Elektronen 'eindringen'.

    n-dotierte Halbleiter haben Valenzelektronen, die nicht am Aufbau von Bindungen beteiligt werden. Diese können sich leicht im Kristallverband bewegen.

    Werden Löcher in Kristallverbänden mit Elektronen aufgefüllt, verschwindet das positive Potential der Zone. Zugleich werden die Störstellenatome durch die Anlagerung der neuen Elektronen zu (negativ geladenen) Anionen.

    Vereinzelte Anionen in einem Kristallverband bilden um sich eine Zone negativen Potentials. Sie sperren den Weg für Elektronen.

    Für freie Elektronen in einem Kristallverband gilt umgekehrt dasselbe beim Einwandern von Löchern oder Defektelektronen. Die Donatoratome werden zu (positiv geladenen) Kationen.

    Lösung

    Eine p-dotierte Schicht ist mit Akzeptor-Atomen versetzt, die eine Valenz weniger als die Kristallatome haben. Die Störstellen in ihr sind unvollständige Bindungen, die Löcher haben (auch "Defektelektronen" genannt). Eine n-dotierte Schicht ist mit Donator-Atomen versetzt worden, die ein Valenzelektron mehr als die Kristallatome haben. Dadurch bleiben hier Elektronen zum Ladungstransport frei. Bringt man eine n- und eine p-dotierte Schicht plan aufeinander, werden freie Elektronen der n-Schicht in die Löcher der p-Schicht gezogen. Diesen Vorgang nennt man Diffusion. Dadurch wird aber in einer Übergangszone das vorherrschende positive (p-Schicht) oder negative Potential (n-Schicht) umgekehrt. Die Diffusion ist also ein Vorgang, der von selbst in einen Sättigungszustand läuft: Ist die entstehende Raumladungszone breit genug, bewegen sich keine Elektronen mehr aus der n-Schicht in die p-Schicht. Diese Zone wirkt dann als eine Sperrschicht für elektrischen Strom.
    (Ergänzung: Durch thermische Eigenbewegung gibt es zwar immer einen kleinen Reststrom: Elektronen wandern aus dem negativen Bereich der Raumladungszone in die n-Schicht zurück - ein sogenannter "Driftstrom" - und der Vorgang der Diffusion setzt wieder ein bis zum Ausgleich. Unter stabilen Bedingungen ändert sich dabei aber die Größe der Raumladungszone nicht mehr.)

  • Erläutere die Wirkung der Photonen auf die Vorgänge in der Raumladungszone einer Fotodiode.

    Tipps

    Photonen können ihre Energie auf Atome übertragen und dadurch Elektronen aus der Hülle schlagen.

    Freie Elektronen in der Raumladungszone können bevorzugt zu den Kationen wandern, zu denen die Donator-Atome geworden sind.

    Diese Donator-Atome befinden sich im n-dotierten Halbleiter.

    Durch diesen Vorgang wird die Menge der Majoritätsladungsträger also noch vergrößert.

    Lösung

    Ist eine der beiden dotierten Schichten dünn genug, können durch sie hindurch Photonen bis in die Raumladungszone eindringen. Dort können sie Energie auf Elektronen der Gitteratome übertragen und sie aus dem Verband herauslösen. Auf der Seite des p-dotierten Halbleiters werden so die Elektronen wieder "gelockert", die zuvor erst durch Diffusion hereingekommen waren. Dann werden sie aber wieder zurückgezogen in den Teil der RLZ, der durch ihren Verlust positiv geladen worden war. Ist nun die Photonenenergie hoch genug, wird die Raumladungszone dadurch geradezu mit Elektronen überschwemmt und wenn man die äußeren Enden der p-n-Kombination mit einem Leiter zusammenschließt, kann die "Überschwemmung" immer wieder abfließen, nämlich außen herum als elektrischer Strom durch den Leiter zurück zu den Gitteratomen, denen ein Elektron fehlt. So wird also die Photonenenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt.