Halbleiter: Kurs Photovoltaik #02
Summary
TLDRIn 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.
Outlines
🌞 Grundlagen der Photovoltaik und Halbleiter
Dieses Kapitel beginnt mit einer Einführung in die Photovoltaik und stellt die Funktionsweise von Solarzellen in den Mittelpunkt. Es erklärt die Eigenschaften von Halbleitern und wie sie sich von Leitern und Isolatoren unterscheiden. In Halbleitern können Elektronen teilweise frei bewegen, was durch das Konzept von Löchern im Valenzband verdeutlicht wird. Die Analogie des Parkhauses wird verwendet, um die Beweglichkeit von Elektronen und Löchern zu erklären und wie diese durch Temperaturänderungen beeinflusst wird. Die Bandlücke und ihre Bedeutung für die Leitfähigkeit werden ebenso erläutert wie die Rolle von Valenz- und Leitungsband im Kontext von Metallen und Isolatoren.
🔋 Die Rolle von Bandlücken und thermischer Anregung
In diesem Abschnitt werden die Prinzipien der thermischen Anregung und der Bandlücken in Halbleitern behandelt. Es wird erklärt, wie Elektronen durch thermische Anregung oder Photonenenergie aus dem Valenzband in das Leitungsband übergehen und dabei Löcher im Valenzband hinterlassen. Die Bandlücken variieren bei verschiedenen Halbleitern, was die Anzahl der Elektronen, die bei Raumtemperatur in das Leitungsband gelangen, beeinflusst. Silizium und Germanium mit niedrigen Bandlücken werden als Beispiele für Halbleiter genannt, bei denen bei Raumtemperatur bereits viele Elektronen in das Leitungsband übergehen. Der Begriff 'Elektronenvolt' wird erklärt, und die Energie von einem Elektronenvolt wird in Joule umgerechnet, um ein Verständnis für die Energie, die bei der Bandüberquerung involviert ist, zu vermitteln.
Mindmap
Keywords
💡Halbleiter
💡Elektronengas
💡Isolator
💡Loch
💡Bandlücke
💡Leitungsband
💡Valenzband
💡Elektronenvolt
💡Thermische Anregung
💡Photovoltaik
Highlights
Die Eigenschaften von Halbleitern werden erklärt.
Metalle haben eine sehr gute Leitfähigkeit mit einem spezifischen elektrischen Widerstand unter 10 hoch -5 Ohm cm.
Isolatoren zeigen eine sehr schlechte Leitfähigkeit mit einem spezifischen elektrischen Widerstand größer als 10 hoch 7 Ohm cm.
Halbleiter haben einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen 10 hoch -5 Ohm cm und 10 hoch 7 Ohm cm.
In Halbleitern können Elektronen teilweise frei bewegen, teilweise aber an Atomkernen gebunden sein.
Löcher in Halbleitern sind durch gelöste Elektronen entstanden und können sich auch bewegen.
Die Analogie des Parkhauses erklärt die Funktionsweise von Löchern in Halbleitern.
Beim absoluten Nullpunkt sind Halbleiter nicht leitend, vergleichbar mit einem voll besetzten Parkdeck.
Erhöhung der Temperatur entspricht dem Freischalten des oberen Parkdecks, ermöglicht Elektronenbewegung.
Die Beweglichkeit von Löchern in Halbleitern ist etwa ein Faktor 10 geringer als die von Elektronen.
Metalle haben überlappende Valenz- und Leitungsband, wodurch Elektronen frei bewegen können.
Isolatoren haben eine große Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband, was eine Bewegung verhindert.
Halbleiter haben eine kleinere Bandlücke, die Elektronen bei bestimmten Bedingungen vom Valenz ins Leitungsband ermöglicht.
Ein Photon kann ausreichen, um ein Loch vom Valenz ins Leitungsband zu befördern, wenn es die Bandlücke energetisch überwindet.
Halbleiter mit unterschiedlichen Bandabständen haben unterschiedliche Leitungseigenschaften.
Silizium und Germanium sind Beispiele für Halbleiter mit niedrigen Bandabständen.
Galliumarsenid und Cadmiumtellurid sind Halbleiter mit hohen Bandabständen, die in der Photovoltaik Anwendung finden.
Ein Elektronenvolt entspricht einer Energie von 1,6 x 10 hoch -19 Joule.
Die Leitfähigkeit von Halbleitern ist stark von der Bandlücke abhängig.
Die Bandlücke von Halbleitern beträgt weniger als vier Elektronenvolt.
Transcripts
[Musik]
[Musik] Herzlich willkommen im Modul Photovoltaik. In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit
der Frage wie funktioniert eine Solarzelle. In dieser Lehreinheit werden wir die Eigenschaften von Halbleitern erklären.
Wie in der letzten Lehreinheit beginnen wir mit der zweidimensionalen räumlichen Darstellung eines Festkörpers
und betrachten zunächst ein Metallgitter.
Die Atomrümpfe, die aus Protonen, Neutronen und inneren Elektronen bestehen, sind einfach positiv geladen.
Dagegen sind die Elektronen der äußeren Schale nicht an ein Atomkern gebunden
Sie können sich frei bewegen und werden auch als Elektronengas bezeichnet.
Dadurch entsteht eine sehr gute Leitfähigkeit.
Der spezifische elektrische Widerstand liegt bei Metallen unter 10 hoch -5 Ohm cm.
Umgekehrt sieht es bei Isolatoren aus
Hier sind auch die Elektronen der äußeren Schale an einen Atomkern gebunden die
Elektronen können sich also nicht bewegen - das bedingt eine sehr schlechte Leitfähigkeit
Der spezifische elektrische Widerstand in Isolatoren ist größer als 10 hoch 7 Ohm cm
Der Halbleiter liegt genau zwischen Leiter und Isolator.
Der spezifische elektrische Widerstand eines Halbleiters liegt zwischen 10 hoch -5 Ohm cm und 10 hoch 7 Ohm cm
im Halbleiter sind die Elektronen teilweise an Atomkerne gebunden.
Teilweise können sich die Elektronen aber auch frei bewegen.
Da, wo sich Elektronen vom Atomkern gelöst haben und einen Atomrumpf zurücklassen,
entstehen sogenannte Löcher, die sich auch bewegen können.
Aber was ist jetzt ein Loch, und wie funktioniert eine solche elektrische Leitung durch Löcher?
Dabei hilft uns die Analogie zu einem Parkhaus. Stellen Sie sich vor, dass sie Samstag Mittag
in der Kölner Innenstadt oder einer anderen Großstadt einkaufen wollen
die Zufahrt zum oberen Parkdeck ist gesperrt. Im unteren Parkdeck sind alle Parkbuchten besetzt.
Aus lauter Verzweiflung stellen sie sich in den Zufahrtsweg. Auf diese Idee kommen allerdings auch andere Autofahrer.
Als Sie von Ihrem Einkauf zurückkommen, ist das gesamte Parkdeck zugeparkt.
Niemand kann sich mehr bewegen, alles ist blockiert. Sie sind am Nullpunkt.
Das entspricht auch der Situation in einem Halbleiter am absoluten Nullpunkt.
Irgendwann entscheidet die Parkhausverwaltung, das obere Parkdeck freizugeben.
Das entspricht der Temperaturerhöhung im Halbleiter. Einzelne Autos können nun auf das obere Parkdeck
Diese Wagen können nun James Bond spielen und sich frei im oberen Parkdeck bewegen.
Aber auch auf dem unteren Parkdeck geht jetzt wieder etwas. Die Autos können nun von Lücke zu Lücke fahren.
natürlich ist das mühseliger und langsamer aus diesem Grund ist auch die Beweglichkeit von
Löchern in einem Halbleiter ca ein Faktor 10 geringer als die Beweglichkeit von Elektronen
wir wollen nun auch wie angekündigt neben der räumlichen Darstellung der Ladungsträger die
energetische Betrachtungsweise verstehen im Metall überlappen Valenz und Leitungsband da
aber das Leitungsband nicht mit Elektronen besetzt ist können sich hier die Elektronen
aus dem Valenzband frei bewegen es ist wie bei einem vollbesetzten Parkdeck mit total freiem
Zugang zum oberen völlig freien Parkdeck natürlich werden die Autofahrer hochfahren
beim Isolator dagegen gibt es eine große Bandlücke zwischen Valenz und Leitungsband
die große Bandlücke entspricht der Sperrung des oberen Parkdecks bei gleichzeitiger Überfüllung
des unteren Parkdecks im Halbleiter ist die Bandlücke kleiner und einzelne Elektronen
können in Abhängigkeit der Temperatur vom Valenz in Leitungsband gelangen wobei sie ein
Loch im Valenzband hinterlassen ist die Bandlücke größer als vier Elektronenvolt so spricht man vom
Isolator ist sie kleiner als vier Elektronenvolt so handelt es sich um ein Halbleiter
im Halbleiter können Elektronen durch thermische Anregungen von Valenz ins
Leitungsband gelangen sie hinterlassen dabei wie
gesagt ein Loch mit positiver Ladung hier dunkelgrau gekennzeichnet im Valenzband
aber auch die Energie eines Photons kann ausreichen um ein Loch vom Valenz
ins Leitungsband zu befördern das Photon muss mindestens die Energie der Bandlücke besitzen
Ehe ist absorbiert wird wir betrachten nun Halbleiter mit unterschiedlichen
bandabständen die Bandlücken sind jeweils bei Raumtemperatur angegeben zunächst betrachten
wir Halbleiter mit vergleichsweise niedrigen Bandabstand wie Silizium mit einer Bandlücke
von 1,12 Elektronenvolt oder Germanium mit lediglich 0,67 Elektronenvolt Bandabstand
bei solchen Halbleitern mit niedrigen Bandabstand gelangen bei Raumtemperatur immerhin etliche
Elektronen ins Leitungsband anders ist dies bei Halbleiter mit vergleichsweise großen Bandabstand
hier gelangen bei Raumtemperatur nur wenige Elektronen ins Leitungsband typische Halbleiter
die auch in der Photovoltaik verwendet werden und ein hohen Bandabstand besitzen
sind zum Beispiel galliumased das für Weltraum Solarzellen verwendet wird oder Karten das für
preiswerte Solarmodule in sehr großen Solarparks verwendet wird wir haben nun immer wieder von
der Energieeinheit Elektronenvolt gesprochen aber wie viel Energie ist ein Elektronenvolt
nun in Elektronenvolt steckt einmal Volt und e die Elementarladung die Elementarladung beträgt
1,6 mal 10 hoch -19 Ampere Sekunden wenn wir das in die Gleichung für die Energie
der Bandlücke einsetzen so erhalten wir 1,6 x 10 hoch -19 Ampere Sekunden mal Volt das
sind also 1,6 mal 10 hoch -19 wattsekunden ein Elektronenvolt sind also 1,6 x 10 hoch -19 Joule
die wichtigsten Erkenntnisse dieser Lehreinheit sind folgende während Leiter keine bandblöcke
und Isolatoren eine sehr große Bandlücke haben beträgt die Bandlücke von Halbleitern
weniger als vier Elektronenvolt in Halbleitern können Elektronen durch thermische Energie-
die Leitfähigkeit von Halbleitern ist stark von der Bandlücke abhängig
die Energie von ein Elektronenvolt entspricht 1,6 mal 10 hoch -19 Joule wir haben nun Elektronen
und löcherleitungen verstanden und ein Gefühl für die Energie der Bandlücke unterschiedliche
Hitler bekommen in der nächsten Lehreinheit werden wir eine weitere Möglichkeit betrachten
wir Elektronen vom Valenz ins Leitungsband bekommen herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit
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