Halbleiter, festes oder flüssiges Material, das bei Raumtemperatur (umgangssprachlich ist die Raumtemperatur der Temperaturbereich, den Menschen für Innenräume bevorzugen, bei dem sich die Luft beim Tragen typischer Innenkleidung weder heiß noch kalt anfühlt), in der Lage ist, Strom etwas besser zu leiten als ein Isolator (Ein elektrischer Isolator ist ein Material, dessen innere elektrische Ladungen nicht frei fließen; sehr geringer elektrischer Strom fließt unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes durch ihn) aber schlechter als ein Metall. Metalle wie Kupfer (Kupfer ist ein chemisches Element mit Symbol Cu und Ordnungszahl 29) Silber und Aluminium sind ausgezeichnete Leiter, aber Isolatoren wie Diamant und Glas sind sehr schlechte Leiter. Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich reine Halbleiter wie Isolatoren. Bei höheren Temperaturen oder unter Zugabe von Verunreinigungen (Dotierung) oder unter Lichteinfluss kann die Leitfähigkeit von Halbleitern erhöht werden. Die üblichen Halbleiter enthalten chemische Elemente und Verbindungen wie Silizium, Germanium (SiGe, oder Silizium-Germanium, ist eine Legierung mit beliebigem Molverhältnis von Silizium und Germanium, d.h. Selen, (Selen ist ein chemisches Element mit Symbol Se und Ordnungszahl 34) Galliumarsenid, Zinkselenid (Zinkselenid ist eine hellgelbe, feste Verbindung aus Zink und Selen) und Bleitellurid. (Blei-Tellurid i
Dotierung (Halbleiter)
Funktion der Solarzelle Um die Funktion einer Solarzelle richtig zu erklären, müssen wir an dieser Stelle
einige Einstellungen vornehmen.
Solarzellen bestehen aus Halbleitern. Halbleiter sind Stoffe, deren Leitfähigkeit durch Zufuhr von Energie in Form von Wärme oder Licht erhöht werden kann, z.B. Silizium (Si), Germanium (Germanium ist ein chemisches Element mit Symbol Ge und Ordnungszahl 32) (Ge) oder Cadmiumsulfid (Cadmiumsulfid ist die anorganische Verbindung mit der Formel CdS) (CdSO3). Doch wie kommt es, dass eine Substanz durch Energiezufuhr an Leitfähigkeit gewinnt?
Dies lässt sich am Beispiel von Silizium gut erklären. Im Kristallgitter dieses Elements hat jedes Atom vier unmittelbar benachbarte Atome. Eines der vier äußeren Elektronen des Si-Atoms befindet sich in jedem der vier benachbarten Bereiche. Da jedes der benachbarten Atome auch ein Außenatom für diese Nachbarregion bereitstellt, gibt es jeweils zwei Elektronen. Der Kristall wird durch die Gravitationskräfte der Elektronen im Nachbargebiet und im Atomkörper zusammengehalten.
Bei sehr niedrigen Temperaturen werden die Elektronen zwischen den Rümpfen gehalten. Wenn der Kristall erhitzt wird, beginnen die Elektronen zu schwingen und werden sozusagen aus ihren Bindungen”herausgeschüttelt”. Nach Anlegen einer Spannung werden die “schüttelfreien” Elektronen zum Pluspol gezogen und am Minuspol durch neue Elektronen au
Photovoltaik
1. Prinzipieller Aufbau und Funktion von photovoltaischen Energieversorgungssystemen
a) Aufbau einer Solarzelle
Halbleiter sind für die Nutzung des photovoltaischen Effekts am besten geeignet (Der photovoltaische Effekt ist die Erzeugung von Spannung oder elektrischem Strom in einem Material bei Lichteinwirkung und ist eine physikalische und chemische Eigenschaft/Phänomen). Halbleiter sind eine Mischung aus einem leitenden (Metall) und einem nichtleitenden (Isolator (Ein elektrischer Isolator ist ein Material, dessen innere elektrische Ladungen nicht frei fließen; unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes fließt sehr wenig elektrischer Strom durch ihn)) Material. In der Photovoltaik wird Silizium meist als Halbleiter eingesetzt. Durch selektives Einbringen von Fremdatomen (z.B. Bor (Bor ist ein chemisches Element mit dem Symbol B und der Ordnungszahl 5) oder Phosphor (Phosphor ist ein chemisches Element mit dem Symbol P und der Ordnungszahl 15) ) in das Kristallgitter des Siliziumkristalls, so entstehen im Siliziumwafer (A-Wafer) zwei Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, auch Scheibe oder Substrat genannt, ist eine dünne Scheibe aus Halbleitermaterial, wie z.B. kristallines Silizium, das in der Elektronik für die Herstellung von integrierten Schaltungen und in der Photovoltaik für konventionelle, waferbasierte Solarzellen verwendet wird. Die
Neben Leitern und Isolatoren gibt es eine dritte Gruppe von Stoffen, die unter bestimmten Bedingungen leiten oder nicht leiten:
Halbleiter, z.B. Germanium (Germanium ist ein chemisches Element mit Symbol Ge und Ordnungszahl 32), Silizium (Silizium ist ein chemisches Element mit Symbol Si und Ordnungszahl 14) oder Kohlenstoff. Sie alle haben 4 Valenzelektronen (in der Chemie ist ein Valenzelektron ein Elektron, das mit einem Atom assoziiert ist und an der Bildung einer chemischen Bindung teilnehmen kann; in einer einzigen kovalenten Bindung tragen beide Atome in der Bindung ein Valenzelektron bei, um ein gemeinsames Paar zu bilden) und sind im reinen Zustand nicht leitend, weil sie ein Kristallgitter bilden. Bei Verunreinigung werden sie jedoch schnell leitfähig (p-leitend oder n-leitend, je nach Dotierung). Durch die Kombination von n- und p-leitenden Halbleitern (Halbleiter sind kristalline oder amorphe Festkörper mit ausgeprägten elektrischen Eigenschaften) können viele Bauelemente der Elektrotechnik (Elektrotechnik ist ein Gebiet der Technik, das sich in der Regel mit der Erforschung und Anwendung von Elektrizität, Elektronik und Elektromagnetismus beschäftigt) gebildet werden:
Die Diode
Die Diode ist das einfachste Halbleiterbauelement (Halbleiterbauelemente sind elektronische Bauelemente, die die elektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien, haupt