Kurs: Technik, Energie und Nachhaltigkeit | OnCourse UB

  • Lektion 2

    • Historie, Halbleiter und Photovoltaischer Effekt

      Photovoltaik

      Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers Alessandro Volta. Es bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen, die aus einem Halbleitermaterial hergestellt werden.

    • Halbleiternutzung in Photovoltaikanlagen 

      Bei der Photovoltaik, aber auch für viele andere elektronische Anwendungen, kommen grundsätzlich Halbleiter zum Einsatz. Sie unterscheiden sich von den elektrischen Leitern (wie die Metalle Aluminium und Kupfer), die in Hochspannungsnetzen und Seekabeln sowie in jedem einfachen Stromkabel zum Einsatz kommen. Davon abzugrenzen sind die nichtleitenden Materialien, welche zur Isolation von elektrischen Anlagen genutzt werden - Isolatoren genannt. Als Isolatoren geeignet sind Porzellan, Glas, Epoxidharze oder Glasfaserverstärkte Kunststoffe.

      Halbleiter

      Ein Halbleiter ist ein Material mit einem elektrischen Leitvermögen, das zwischen einem Leiter (Material das ständig Storm leitet) und einem Isolator (Material, das nie oder sehr gering Strom leitet) liegt. 

      Die elektrische Leitfähigkeit ist in S/m (Siemens pro Meter) angegeben. Halbleiter sind Festkörper, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischen Leitern (>104 S/cm) und der von Nichtleitern (<10−8 S/cm) liegt. 

      Zu den Halbleiterelementen gehören Antimon, Arsen, Bor, Kohlenstoff, Germanium, Selen, Silizium, Schwefel und Tellur. Der bekannteste für Photovoltaikanlagen genutzte Halbleiter ist Silizium. Zu den gängigen Halbleiterverbindungen gehören Galliumarsenid, Indiumantimonid und die Oxide der meisten Metalle. Eine Halbleitersubstanz liegt zwischen dem Leiter und dem Isolator.

      Es kommt die Frage auf, warum für die Photovoltaik Halbleiter und nicht Leiter genutzt werden? Ein wesentlicher Vorteil von Halbleitern ist, dass ihre Leitfähigkeit beeinflusst werden kann. Sie können damit eine Art Schalterfunktion übernehmen, der Stromfluss kann unterbrochen werden. Das ist bei klassischen Stromleitern nicht möglich.

      Halbleiter werden für verschiedene Halbleiterbauelemente verwendet. So werden Transistoren oder Dioden beispielsweise mithilfe von zwei Halbleitermaterialien gebaut. Halbleiter werden in Computern, Smartphones, Tablets und anderen elektronischen Geräten eingesetzt, um die Schaltung und Bauteile wie Mikroprozessoren, Speicher und Kommunikationskomponenten zu ermöglichen. Halbleiter werden in der Automobilindustrie genutzt, um elektronische Steuerungen und Regelungen für den Motor, das Fahrwerk und andere Systeme zu realisieren.

      Laut Statista Market Insights (08/2024) wird der Umsatz im Halbleiter-Markt etwa 563,30 Mrd. € im Jahr 2024 betragen. Davon sind ein Großteil integrierte Schaltungen mit einem prognostizierten Marktvolumen von 477,60 Mrd. € im Jahr 2024. Die jährliche Wachstumsrate wird bis 2030 auf rund 10% prognostiziert.


    • Photovoltaischer Effekt eines Halbleiters in einer Siliziumsolarzelle

      Licht entsteht, wenn durch Energie angeregte Außenelektronen von Atomen (hier auf der Sonne) sich auf ein höheres Energieniveau begeben und nach kurzer Zeit wieder zurückspringen. Dabei geben sie die Energie wieder ab, welche wir als Lichtstrom wahrnehmen. Dieses physikalische Prinzip wird auch als Lumineszenz bezeichnet.

      Trifft also elektromagnetische Strahlung auf einen Festkörper, so können aus dessen Oberfläche Elektronen freigesetzt werden. Man bezeichnet diese Erscheinung als äußeren Photoeffekt (oder auch als äußeren lichtelektrischer Effekt). Die Photonen vermögen dabei einzelne Elektronen aus ihrem atomaren Verbund herauszulösen. Der belichtete Stoff wird elektrisch leitend oder geladen. Dieses ist jedoch nur bei sogenannten Halbleitermaterialien der Fall.
      Unter Einwirkung von Licht und Wärme erhöht sich die Eigenschaft der Leitfähigkeit bis zu einem definierten Optimum. Bei höheren Temperaturen, also Hitzeperioden, geht diese Eigenschaft wieder zurück.


      Der bekannteste Halbleiter ist Silizium. Die Silizium-Atome verbinden sich zu einem Kristallgitter, in dem fast jedes Atom mit den Nachbaratomen durch jeweils ein gemeinsames Elektronen-Paar verbunden ist. Diese gemeinsame Elektronenpaar-Benutzung setzt sich nach allen Seiten fort und bewirkt einen mechanisch stabilen und elektrisch nichtleitenden Kristall.


      Schon bei Zimmertemperatur lösen sich aber einzelne dieser "Valenzelektronen"(Elektronen an der äußersten Schale des Atoms) aus ihrer Gitterbindung und stehen so für die elektrische Leitung zur Verfügung. Der beschriebene Effekt der Herauslösung von Elektronen lässt sich durch die sogenannte „Verunreinigung“ eines Halbleitermaterials mit anderen Materialien bewusst steigern und wird als Dotierung bezeichnet. Es wird entweder ein Überschuss = n(negativ-Dotierung) oder ein Mangel = +(positiv-Dotierung) an Elektronen in der Atomstruktur des behandelten Materials erzeugt. Die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters wird durch diese Maßnahme erhöht.


      n-Dotierung: Für die Negativdotierung eignen sich die Stoffe Phosphor und Arsen. Da ein Silizium-Atom vier Valenzelektronen hat, Phosphor aber fünf, bleibt bei der Einbringung des Phosphors ins Silizium-Gitter ein Elektron frei. Durch den so bewirkten Überschuss an Elektronen wird der Stoff, also das Silizium, negativ leitend.

      p-Dotierung: Für die Positivdotierung eignen sich Bor oder Indium. Die Atome von Bor oder Indium verfügen nur über je drei Valenzelektronen. Wird Silizium mit diesen Stoffen verunreinigt, entsteht im Gitternetz ein Mangel an Valenzelektronen. Es entstehen gleichsam "Löcher", in welche die Valenzelektronen benachbarter Silizium-Atome "hineinfallen" können. Bei diesem Hineinfallen hinterlassen diese Valenzelektronen aber neue Löcher, die wiederum von anderen Valenzelektronen besetzt werden, so dass der Mangel an Elektronen am Ende eine Art "Lochleitung" bewirkt und das Material positiv leitend wird.

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