Halbleiter: Kurs Photovoltaik #02

Summary

In diesem Modul über Photovoltaik wird die Funktionsweise einer Solarzelle erklärt, indem die Eigenschaften von Halbleitern untersucht werden. Es wird beschrieben, wie sich Elektronen in Metallen, Isolatoren und Halbleitern verhalten und welche Rolle die Bandlücke dabei spielt. Die Analogie eines Parkhauses verdeutlicht, wie Elektronen und Löcher sich in einem Halbleiter bewegen. Zudem wird erklärt, wie thermische Energie oder Photonen Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband bringen können, was für die Funktion von Solarzellen entscheidend ist.

Takeaways

• 🔋 Die elektrische Leitfähigkeit von Metallen ist sehr gut, mit einem spezifischen elektrischen Widerstand unter 10^-5 Ohm cm.
• 🏠 Isolatoren haben eine sehr schlechte Leitfähigkeit, mit einem spezifischen elektrischen Widerstand größer als 10^7 Ohm cm.
• 💡 Halbleiter haben einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen 10^-5 und 10^7 Ohm cm und befinden sich zwischen Leitern und Isolatoren.
• 🕳️ In Halbleitern können Elektronen teilweise frei von Atomkernen bewegt werden und können Löcher hinterlassen, die sich ebenfalls bewegen können.
• 🚗 Die Analogie des Parkhauses erklärt die Funktion von Löchern in Halbleitern, wobei freigesetzte Parkplätze die Aktivität von Löchern und Elektronen symbolisieren.
• 🌡️ Die Bandlücke in Halbleitern ist von der Temperatur abhängig und beeinflusst die Leitfähigkeit durch die Möglichkeit, dass Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband gelangen.
• 🌞 In Photovoltaik genutzte Halbleiter wie Germanium und Silizium haben niedrige Bandlücken, was bei Raumtemperatur zu einer relativ hohen Leitfähigkeit führt.
• 🚀 Andere Halbleiter wie Galliumarsenid, das für Weltraum-Solarzellen verwendet wird, haben größere Bandlücken und sind für spezialisierte Anwendungen geeignet.
• ⚡️ Die Bandlücke ist ein entscheidender Faktor für die Charakterisierung von Halbleitern; sie ist kleiner als vier Elektronenvolt für Halbleiter und größer für Isolatoren.
• ⚖️ Ein Elektronenvolt entspricht einer Energie von 1,6 x 10^-19 Joule, was die Energieeinheit für die Bandlücke in Halbleitern darstellt.

Q & A

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Eine Solarzelle wandelt das Sonnenlicht in elektrische Energie um, indem sie Halbleitermaterialien verwendet, bei denen Elektronen durch thermische Anregung oder durch Absorption von Photonen aus dem Valenzband in das Leitungsband gelangen und dadurch Strom erzeugen.

Was sind die Eigenschaften von Halbleitern?

Halbleiter haben elektrische Leitfähigkeiten zwischen Leitern und Isolatoren. Sie haben einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen 10^-5 Ohm cm und 10^7 Ohm cm. In Halbleitern können Elektronen teilweise frei bewegen und teilweise sind sie an Atomkerne gebunden.

Was ist der Unterschied zwischen Metallen und Isolatoren in Bezug auf die Leitfähigkeit?

Metalle haben eine sehr gute Leitfähigkeit mit einem spezifischen elektrischen Widerstand unter 10^-5 Ohm cm, während Isolatoren eine sehr schlechte Leitfähigkeit haben mit einem spezifischen elektrischen Widerstand größer als 10^7 Ohm cm.

Was ist ein Loch in einem Halbleiter und wie kann es sich bewegen?

Ein Loch ist eine Art positiver Ladung, die entsteht, wenn ein Elektron sich vom Atomkern löst und einen Atomrumpf zurücklässt. Löcher können sich in einem Halbleiter bewegen, ähnlich wie Elektronen, und tragen so zur Leitung bei.

Wie wird die Beweglichkeit von Löchern im Vergleich zu Elektronen beschrieben?

Die Beweglichkeit von Löchern in einem Halbleiter ist etwa ein Faktor 10 geringer als die Beweglichkeit von Elektronen. Dies wird durch die Analogie des Parkhauses verdeutlicht, wo die Beweglichkeit der Autos (Löcher) langsamer ist als die der Elektronen.

Was passiert in einem Halbleiter, wenn die Temperatur erhöht wird?

Bei einer erhöhten Temperatur können mehr Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband gelangen, was zu einer erhöhten Leitfähigkeit führt. Dies wird mit der Freischaltung des oberen Parkdecks im Parkhaus verglichen.

Wie groß muss die Bandlücke eines Halbleiters sein, damit er als Halbleiter gilt?

Die Bandlücke eines Halbleiters muss kleiner als vier Elektronenvolt sein, damit er als Halbleiter gilt und Elektronen thermisch vom Valenzband in das Leitungsband gelangen können.

Was ist die Bedeutung von Elektronenvolt als Energieeinheit?

Ein Elektronenvolt ist eine Energieeinheit, die die Energie darstellt, die benötigt wird, um eine Elementarladung (1,6 x 10^-19 Coulomb) um einen Volt zu bewegen. Ein Elektronenvolt entspricht 1,6 x 10^-19 Joule.

Wie beeinflusst die Bandlücke die Leitfähigkeit eines Halbleiters?

Die Leitfähigkeit eines Halbleiters ist stark von der Bandlücke abhängig. Je kleiner die Bandlücke, desto leichter können Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband gelangen und Strom leiten.

Welche Materialien werden als Beispiele für Halbleiter mit hohen Bandabständen genannt?

Galliumarsenid und Cadmiumtellurid werden als Beispiele für Halbleiter mit hohen Bandabständen genannt, die in der Photovoltaik verwendet werden, insbesondere für Solarzellen im Weltraum oder für preiswerte Solarmodule in großen Solarparks.