So funktioniert eine Solarzelle / Photovoltaik
prägnant erklärt in unter 10 Minuten mit Formeln, Physik
und Technik alternativ zur Textversion auch als Podcast oder YouTube Video:
Podcast auf soundcloud: Solarzelle / Photovoltaik
Energieerzeugung
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Formelzeichen |
Bezeichnung |
Einheit |
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P |
Leistung |
[Watt] W= (kg ∙ m^2)/s^3 |
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U |
Spannung |
[Volt] V |
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I |
Strom |
[Ampère] A |
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R |
Widerstand |
[Ohm] Ω = V/A |
P=U∙I
- Energie: Spannung und Strom
- Damit ein Strom fließen kann, muss erstmal eine Spannung aufgebaut werden
- Strom: bewegte Ladungsträger (z.B. Elektronen)
- Ziel: Ladungsträger müssen bewegt und voneinander getrennt werden
Ladungsträger
• In der Halbleiterphysik sind Ladungsträger
• Elektronen | electrons
• Defektelektronen (auch „Loch“ genannt) | electron hole
• Freie Elektronen
• Freie Elektronen verspüren keine Wechselwirkung äußerer Potentiale und sind nicht gebunden
• Gebundene Elektronen findet man in Atomen
• Ionisierungsenergie | ionization energy: nötige Energie für Elektronenauslösung aus der äußersten Schale
• Elektronenaffinität | electron affinity: Energie, die frei wird, wenn ein neutrales Atom ein freies Elektron aufnimmt
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• Die Stärke der Bindung der Valenzelektronen wird auch Bandabstand | bandgap genannt (Einheit [eV])
• Wenn man ein zunächst gebundenes Elektron auslöst, entsteht dadurch ein sogenanntes Elektron-Loch-Paar
• Generation ⇔ Rekombination
• Thermodynamisches Gleichgewicht: Generation=Rekombination
Leiter | Halbleiter | Isolatoren
Festkörper / Gitterstruktur
Halbleiter |
- Halbleitermaterialien
• Im Grundzustand fast keine freien Ladungsträger verfügbar
• Bei Silizium sind alle vier Valenzelektronen in kovalenten Bindungen mit vier benachbarten Atomen in Elektronenpaarbindungen verbunden (Bindungsbildung durch Überlagerung von Atomorbitalen)
Kovalente Tetraederbindung am Beispiel von Silizium
Stabile Gitterstruktur durch Elektronenpaarbindung
Zeitweises Herauslösen von Elektronen (Generation von freien Ladungsträgern) möglich durch:
- Wärme (thermische Energie) | Glühemission | thermionic emission
λ=vth∙τ0
λ: mittlere freie Weglänge
vth: mittlere thermische Geschwindigkeit
τ0: Stoßzeit
JQ=-ϰ∙dT/dx
JQ: Wärmestromdichte
ϰ: Wärmeleitfähigkeit
dT/dx: Temperaturgefälle
- Ausreichend elektrische Spannung (anlegen eines elektrischen Feldes) | Feldemission | field emission
vD=-μ∙E
vD: Driftgeschwindigkeit
μ: Beweglichkeit
E: Feldstärke
J=-n∙e ∙ μ∙E
J: Stromdichte
n: Ladungsträgerkonzentratione: Elementarladung
- Bestrahlung mit Licht mit ausreichender Frequenz | Fotoemission | photoemission
Bewegung von Ladungsträgern durch Diffusion und Drift
- Diffusion freier Ladungsträger:
• Ein Unterschied in der Ladungsträgerkonzentration ruft eine gerichtete Bewegung der Ladungsträger vom Gebiet hoher Konzentration zum Gebiet niedriger Konzentration hervor.
j(n,p)=q∙μ(n,p)∙(n,p∙E+(k∙T)/q∙(dn,dp)/dx)
- Feldstrom (Driftstrom)
• Liegt ein elektrisches Feld an, resultiert eine mittlere Geschwindigkeit der Elektronen entgegen der Feldrichtung. Für kleine Feldstärken ist die Driftgeschwindigkeit proportional zum elektrischen Feld (unterhalb einer Sättigungsgeschwindigkeit)
j=q∙(n∙μn+p∙μp )∙E=σ∙E
j: Stromdichte
q: Elementarladung
μ: Beweglichkeit
E: Feldstärke
n: Ladungsträgerkonzentration
Der Photoelektrische Effekt Photoemission
• Wandlung der Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie
• Modell: Lichtquanten / Photonen (wissenschaftlich erklärt durch Albert Einstein 1905)
• h∙f ≥ ∆WA c=λ∙f
WA: Austrittsarbeit
h: Planckschen Wirkungsquantum
f: Frequenz
c: Lichtgeschwindigkeit
λ: Wellenlänge
Bändermodell | Band structure model
Die Größe der Bandlücke ist Material und Temperaturabhängig
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Material |
Wg Bandgap |
maximale Wellenlänge λ bei der gerade noch so Elektronen ausgelöst werden (Minimalfrequenz) |
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Si |
1,17 eV @ T=0K 1,12 eV @ T=300K |
1,1 µm |
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Ge |
0,74 eV @ T=0K 0,67 eV @ T=300K |
1,8 µm |
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4H-SiC |
3,23 eV @ T=300K |
0,4 µm |
300 K entspricht 26,85°C
- Elektronen im vollen Valenzband können nicht zur Leitung beitragen
- Im energetischen Abstand Wg oberhalb des Valenzbandes befindet sich die Kante des Leitungsbandes. Ab der Bandlückenenergie steigt die Leitfähigkeit deutlich an.
- Elektronen, die sich frei im Gitter bewegen sollen, müssen mindestens die
Energie des Leitungsbandes haben
Halbleiter Dotierung
• Das zunächst halbwegs reine Halbleitermaterial wird durch gezielte Verunreinigung mit Fremdatomen benachbarter Wertigkeiten dotiert
Verbindungshalbleiter
Donator n-dotiert
4 der 5 Valenzelektronen von Phosphor gehen kovalente Bindungen mit benachbarten Siliziumatomen ein.
Das 5. Valenzelektron kann schon bei geringer thermischer Anregung energetisch ins Leitungsband verschoben und freigegeben werden.
n-typ-Halbleiter
Akzeptor p-dotiert
Alle 3 der 3 Valenzelektronen von Bor gehen kovalente Bindungen mit benachbarten Siliziumatomen ein.
Das „Loch“ bzw. der freie Platz kann schon bei geringer thermischer Anregung von Nachbarvalenzelektronen aufgefüllt werden. Ein quasi bewegliches Defektelektron.
p-typ-Halbleiter
p-n-Übergang
• Eine Solarzelle besteht aus einem Halbleitermaterial mit unterschiedlich dotierten Schichten (einem p-n-Übergang)
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RLZ Raumladungszone |
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Elektrisches Feld
E(x)=-dU/dx Diffusionsspannung U_D=(k∙T)/q∙ln((p∙n)/〖n_i〗^2 )
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| Entlang der Raumladungszone baut sich ein elektrisches Feld und eine interne Spannung auf | |||||||||||||
Beispiel:
Si, T=300K (26,85°C),
N_A=2∙10^15 〖cm〗^(-3), N_D=1∙10^15 〖cm〗^(-3)
→ U_D=0,61V
Beispiel: Si, T=300K (26,85°C),
N_A=2∙10^15 〖cm〗^(-3), N_D=1∙10^15 〖cm〗^(-3)
→ U_D=0,61V
p-n-Übergang mit Photoemission
• Zusätzliche Bestrahlung mit Licht genügend großer Frequenz (Minimal Wellenlänge)
• Zusätzliche Elektronen werden von ihren Atomen getrennt durch Photoemission
- Die freigesetzten Elektronen werden von der positiv geladenen Halbleiterschicht (dem Silizium-Phosphor n-Gebiet) angezogen (Diffusion: Elektronenbewegung durch Feld)
Solarzelle | Kennlinien
• Die Höhe des Solarzellenstromes hängt von der eingestrahlten Leistung ab
• Ohne Last oder im „open circuit“ gibt es eine Leerlaufspannung
• Unter Volllast oder Kurzschluss bricht die Spannung ein und der Strom nähert sich dem maximalen Sättigungsstrom an, der von der spezifischen Bestrahlungsleistung abhängt
• Vorteilhaft: Hohe Einstrahlleistung und niedrige Temperatur
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Das Ganze als YouTube #shorts erklärt in unter 1 Minute:
Thema researched, animated in Power Point Slides and edited by Sophia Transistor
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