Energiebänder: Kurs Photovoltaik #01

Summary

Dieses Videokapitel bietet einen Einblick in die Grundlagen und Funktionsweise von Solarzellen, insbesondere solcher aus Silizium. Es erklärt Atommodelle wie das Bohrsche und Orbitalmodell und wie Elektronen in Siliziumatomen auf Energieniveaus verteilt sind. Es führt das Konzept der Valenzelektronen ein und wie sie in kovalenten Bindungen mit anderen Atomen teilen, um den Edelgaszustand zu erreichen. Der Fokus liegt auf der Erklärung von Energiebändern und Bandlücken in Siliziumkristallen, die für die Funktion von Halbleitern entscheidend sind.

Takeaways

• 🌞 Die Solarzellen werden hauptsächlich aus Silizium hergestellt, welches in diesem Skript als Beispiel für die Erklärung der Funktionsweise von Solarzellen verwendet wird.
• 🔬 Das Bohr'sche Atommodell zeigt, dass das Siliziumatom drei Schalen hat, wobei die inneren beiden Schalen voll besetzt sind mit 2 und 8 Elektronen, während die äußerste Schale 4 Elektronen hat.
• 📊 Das Orbitalmodell, eine Weiterentwicklung des Bohr'schen Modells, beschreibt die Wahrscheinlichkeitsverteilung von Elektronen um den Atomkern, anstatt feste Kreisbahnen.
• 🧲 Die Elektronenverteilung im Siliziumatom folgt dem Pauli-Prinzip, welches besagt, dass in einem Orbital maximal zwei Elektronen unterschiedlichen Spins (Spin up und Spin down) vorhanden sein können.
• 🔋 Die Elektronen in der äußeren Schale eines Atoms werden Valenzelektronen genannt und sind für chemische Bindungen verantwortlich.
• 🔗 Um den Edelgaszustand zu erreichen, teilt sich das Siliziumatom eines seiner Valenzelektronen mit benachbarten Atomen, was zu kovalenten Bindungen führt.
• 💠 In einem Siliziumkristall bildet sich eine stabile Struktur, in der die Atome in einem Tetraeder-Muster angeordnet sind, was zu einer kovalenten Bindung zwischen den Atomen führt.
• 📉 Die Energieniveaus spalten sich im Kristallgitter auf, was zu Energiebändern führt, wobei das Valenzband voll und das Leitungsband teilweise leer ist.
• 🚧 Der Bandabstand oder Bandlücke ist der Energiebereich zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, in dem keine zulässigen Energiezustände für Elektronen vorhanden sind.
• ♨️ Bei erhöhter Temperatur können Elektronen aus dem Valenzband angeregt werden und ins Leitungsband wechseln, was Löcher im Valenzband hinterlässt.

Q & A

Welches Modell wird verwendet, um das Verhalten von Elektronen um den Atomkern zu beschreiben?

Im Bohrschen Atommodell werden diskrete Schalen genutzt, auf denen Elektronen kreisen, während im Orbitalmodell die Elektronen durch eine bestimmte Wahrscheinlichkeit beschrieben werden, an einem bestimmten Ort zu sein.

Wie viele Elektronen hat ein Siliziumatom und wie sind diese in den Schalen verteilt?

Ein Siliziumatom hat insgesamt 14 Elektronen. Zwei Elektronen befinden sich in der innersten Schale, acht in der zweiten Schale und vier in der dritten Schale.

Was ist das s-Orbital und wie viele können in einem Atom vorkommen?

Das s-Orbital ist das einfachste Orbital, das die Form einer Kugel hat. In einem Atom kann nur ein s-Orbital pro Schale vorkommen.

Wie sind p-Orbitale und wie viele können es in einer Schale geben?

p-Orbitale sind hantelförmige Orbitale, die drei unterschiedliche Ausrichtungen haben. In jeder Schale können drei p-Orbitale existieren.

Was bedeutet das Pauli-Prinzip für die Elektronen in einem Orbital?

Das Pauli-Prinzip besagt, dass sich in jedem Orbital nur zwei Elektronen befinden können, die sich durch ihren Spin unterscheiden ('Spin up' und 'Spin down').

Wie versuchen Atome, den Edelgaszustand zu erreichen?

Atome versuchen, entweder ihre äußerste Schale aufzufüllen oder so viele Valenzelektronen abzugeben, dass die nächst tiefere Schale frei liegt, um den Edelgaszustand zu erreichen.

Wie bildet sich eine kovalente Bindung in einem Siliziumkristall?

In einem Siliziumkristall teilt sich jedes Siliziumatom eines seiner vier Valenzelektronen mit vier benachbarten Siliziumatomen, was zu einer kovalenten Bindung führt.

Was ist der Unterschied zwischen Valenzband und Leitungsband in einem Halbleiter?

Das Valenzband ist das höchste Energieband, das vollständig mit Elektronen besetzt ist, während das Leitungsband das erste Band ist, in dem nicht alle Zustände besetzt sind.

Was ist die Bandlücke und welche Rolle spielt sie in Halbleitern?

Die Bandlücke ist der Abstand zwischen der Oberkante des Valenzbands und der Unterkante des Leitungsbands, in dem es keine erlaubten Energiezustände für Elektronen gibt. Sie ist entscheidend für die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern.

Was geschieht, wenn Elektronen im Valenzband durch Erwärmung angeregt werden?

Bei steigender Temperatur können Elektronen aus dem Valenzband angeregt und in das Leitungsband gelangen, wobei im Valenzband Löcher zurückbleiben, die die freigewordenen Elektronen im Leitungsband ermöglichen.