Diese Präsentation ist eine Einführung in die Thematik der anorganischen Solarzellen.
Es werden sowohl typische Solarzellen vorgestellt, als auch der photovoltaische Effekt präsentiert. Schließlich wird das Bändermodell des Festkörpers erläutert, sowie das Valenz- und Leistungsband erklärt. Außerdem wird auf die Bandstruktur des Natriums und auf Halbleiter eingegangen. Schließlich werden die Vor- und Nachteile von anorganischen Solarzellen gegenübergestellt.
Inhaltsverzeichnis
1. Typische Solarzellen
2. Der Photovoltaische Effekt
3. Bändermodell des Festkörpers
4. Valenz- und Leitungsband
5. Bandstruktur des Natriums
6. Vier mögliche Bandstrukturen von Festkörpern
7. Der typische Halbleiter Silizium
8. Dotierte Halbleiter (Störzellenhalbleiter)
9. n-Halbleiter
10. p-Halbleiter
11. p- und n-Halbleiter miteinander kombiniert
12. pn-Halbleiterübergang als Sollarzelle
13. Vor- und Nachteile
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit gibt einen grundlegenden Überblick über die physikalisch-chemischen Funktionsweisen von anorganischen Solarzellen, insbesondere auf Basis des Bändermodells und der Halbleiterphysik.
- Grundlagen des photovoltaischen Effekts
- Bandstrukturen von Festkörpern und Halbleitern
- Dotierungsprozesse zur Erzeugung von n- und p-Halbleitern
- Funktionsweise des pn-Übergangs in Solarzellen
- Ökonomische und ökologische Vor- und Nachteile der Photovoltaik
Auszug aus dem Buch
Der typische Halbleiter Silizium
Jedes Atom bildet vier kovalente Bindungen mit seinen vier Nachbaratomen aus. 3s und 3p-Niveaus im Silicium, 4s und 4p Niveaus im Germanium und 2s- und 2p-Niveau im Diamant können jeweils 8 Elektronen aufnehmen.
Hybridisieren der s- und p-Zustände → Spaltung in zwei Hybridzustände mit jeweils 4 Elektronen. Untere ist mit 4 Elektronen besetzt, obere ist leer. Beim Diamant mit dem Gleichgewichtsabstand der C-Atome von 0,15 nm ist die Energielücke zw. den beiden Hybridzuständen ca. 7 eV → Diamant ist Isolator.
Beim Silicium und Germanium 0,24 nm und die Energielücke zw. den beiden Hybridzuständen beim Gleichgewichtsabstand etwa 1 eV → Beide Halbleiter.
Zusammenfassung der Kapitel
Typische Solarzellen: Einführung in die Definition der Solarzelle als Bauelement zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie.
Der Photovoltaische Effekt: Erläuterung der Absorption von Photonen, Ladungsträgertrennung und Stromabführung.
Bändermodell des Festkörpers: Erklärung der Entstehung von Energiebändern durch überlappende Elektronenwolken in Festkörpern.
Valenz- und Leitungsband: Definition der Zustände, in denen Valenzelektronen gebunden sind oder frei für den Stromfluss zur Verfügung stehen.
Bandstruktur des Natriums: Darstellung von Natrium als metallischer Leiter durch die Überlappung von 3s- und 3p-Bändern.
Vier mögliche Bandstrukturen von Festkörpern: Klassifizierung von Materialien in Leiter, Isolator und Halbleiter anhand der energetischen Lücken.
Der typische Halbleiter Silizium: Analyse der kristallinen Struktur von Silizium und der Bandlücke, die Halbleitereigenschaften ermöglicht.
Dotierte Halbleiter (Störzellenhalbleiter): Erläuterung der gezielten Verunreinigung von Silizium zur Beeinflussung der elektrischen Leitfähigkeit.
n-Halbleiter: Beschreibung von n-Typ-Halbleitern durch Einbringung von Fremdatomen mit fünf Valenzelektronen.
p-Halbleiter: Beschreibung von p-Typ-Halbleitern durch Einbringung von Fremdatomen mit einem Valenzelektron weniger (Lochleitung).
p- und n-Halbleiter miteinander kombiniert: Beschreibung der Übergangszone, die als Basis für Halbleiterbauelemente dient.
pn-Halbleiterübergang als Sollarzelle: Erklärung der Stromerzeugung durch Lichtabsorption im pn-Übergang.
Vor- und Nachteile: Zusammenfassende Bewertung der Photovoltaik hinsichtlich Effizienz, Kosten und Umweltwirkung.
Schlüsselwörter
Solarzellen, Photovoltaik, Halbleiter, Bändermodell, Valenzband, Leitungsband, Silizium, Dotierung, n-Halbleiter, p-Halbleiter, pn-Übergang, Elektronen, Löcher, Energielücke, Stromerzeugung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die physikalischen Grundlagen anorganischer Solarzellen, von der Entstehung der Bänderstruktur bis zum fertigen pn-Übergang.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Themen umfassen Festkörperphysik, Halbleitertechnologie, Dotierungsmethoden und die direkte Umwandlung von Lichtenergie in Strom.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Vermittlung eines Verständnisses darüber, wie auf atomarer und bandtheoretischer Ebene Solarzellen funktionieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es handelt sich um eine theoretische Zusammenfassung basierend auf physikalischen Modellen wie dem Bändermodell der Festkörperchemie.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Erklärung der Halbleiterphysik, die Dotierung zur Steuerung der Leitfähigkeit und die Kombination zu funktionalen Solarzellen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Begriffe sind Photovoltaik, pn-Übergang, Silizium, Bandlücke und Dotierung.
Warum ist Natrium ein Leiter, Silizium hingegen ein Halbleiter?
Natrium besitzt ein halbgefülltes Band, das den Elektronenfluss erlaubt, während Silizium eine definierte Energielücke aufweist, die erst durch Anregung überwunden werden muss.
Wie unterscheiden sich n- und p-Dotierung?
Bei der n-Dotierung werden Fremdatome mit mehr Valenzelektronen eingebracht, bei der p-Dotierung solche mit weniger, wodurch Löcher als positive Ladungsträger entstehen.
Was ist der limitierende Faktor bei der Effizienz von heutigen Solarzellen?
Laut den Ausführungen liegt der Wirkungsgrad aktuell nur bei etwa 10-11 %, zudem sind die hohen Investitionskosten eine Hürde.
- Arbeit zitieren
- Sadik Mejid (Autor:in), 2014, Anorganische Solarzellen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/476836
