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Indiumzinnoxid

Indiumzinnoxid

Indiumzinnoxid (kurz ITO für englisch indium tin oxide) ist ein Stoff, der halbleitend und transparent ist. Es ist ein Mischoxid aus Indiumoxid und Zinnoxid, dessen Herstellung allerdings relativ teuer ist. Üblicherweise wird dotiertes ITO eingesetzt, das fast metallische Leitfähigkeit erreicht. Der Stoff wird für die Herstellung transparenter Kontakte in Flüssigkristallbildschirmen, organischen Leuchtdioden und Touchscreens eingesetzt. Auch in Solarzellen findet er Verwendung. Es ist auch möglich, Oberflächen mit ITO zu beschichten, damit diese sich nicht elektrostatisch aufladen. ITO kann entweder aufgedampft oder aufgesputtert werden. Eine weitere Möglichkeit ist das Sol-Gel-Tauch-Verfahren, das auf dünnen aber großflächigen Schichten eingesetzt wird. Kategorie:Stoffgemisch

Stoff (Chemie)

Aus chemischer Sicht ist ein Stoff einfach Materie. Ein Stoff ist alles, was Raum einnimmt und Masse hat. Es lässt sich hierbei unterscheiden zwischen:
- Reinstoffen
- Elemente
- chemische Verbindungen (u. a. Molekülverbindungen) und
- Gemischen
- Lösungen
- Emulsionen
- Gemenge
- usw. (weitere Gemischtypen siehe Gemisch) Chemische Stoffe sind durch ihre spezifischen Eigenschaften charakterisiert.

Siehe auch

Chemische Grundbegriffe Kategorie:Chemie

Mischoxid

Ein Mischoxid (kurz MOX) ist ein Stoff, der sich aus mehreren Oxiden zusammensetzt. Ein Beispiel aus der Kerntechnik sind die MOX-Brennelemente, die aus Urandioxid UO₂ und Plutoniumdioxid PuO₂ besteht (siehe Brennstab). Sie werden heute in verschiedenen Ländern (vor allem Frankreich und Deutschland, aber auch Schweiz, Belgien) in Kernreaktoren eingesetzt, um das bei der Wiederaufarbeitung abgetrennte Plutonium zu verwerten und dabei gleichzeitig für Kernwaffen weitgehend unbrauchbar zu machen. Auch wenn häufig der Begriff Mischoxid mit dem Uran-Plutonium-Gemisch gleichgesetzt wird, gibt es noch viele weitere Mischoxide:
- Nickeltitangelb ist ein Farbstoff aus Nickeloxid, Titandioxid und Antimon(V)oxid
- Ein in der Elektronik wichtiges Mischoxid ist das Indiumzinnoxid (ITO) Kategorie:Kernenergie ja:プルサーマル

Indium

Indium (benannt nach der indigofarbenen Bande im Linienspektrum) ist ein silbrigweißes, duktiles Metall der III-Hauptgruppe. Es ist leicht verformbar und gibt wie Zinn beim Verbiegen Geräusche ab (siehe auch Zinnschrei). Es wurde 1863/1864 von Ferdinand Reich in Zusammenarbeit mit Hieronymus Theodor Richter entdeckt.

Gewinnung

Hieronymus Theodor Richter Um eine wirtschaftliche Gewinnung zu gewährleisten, muss das Indium auf mindestens 1 Gew. % in den Vorprodukten angereichert werden. Bei den Raffinationsprozessen (beispielsweise Röstung oder Flotation) von Blei, Zink, Kupfer oder Zinn muss das Indium in ausreichender Menge vorliegen.

Verwendung

Die Verwendung des Indiums ist mannigfaltig. Indium zeigt eine hohe Duktilität und gute Gleit- und Schmierfähigkeit. Dadurch bilden galvanisch abgeschiedene Indiumüberzüge auf Blei-, Stahl- und Cadmium-Gleitlagern einen ausgezeichneten Oberflächenschutz gegen Abrieb. Indiumdichtungen werden auch in der kryogenen Vakuumtechnik als Dichtungsmaterial eingesetzt. Infolge des niedrigen Schmelzpunktes von 150 °C kann Indium, mit anderen Metallen legiert, Speziallote bilden. Weiterhin kann die Eigenschaft des niedrigen Schmelzpunktes ausgenutzt werden, um Schmelzsicherungen für Branddetektoren herzustellen. Eine andere Anwendung der Indiumlegierungen besteht als Füllmasse für Hochtemperaturthermometer. Aber auch umweltfreundliche quecksilberfreie Fieberthermometer haben Indium als Legierungsbestandteil in ihrer Füllmasse. Mit Kupfer, Mangan und Magnesium wird Indium als Legierungsbestandteil von magnetischen Werkstoffen verwendet. Gelegentlich wird Indium in Dentallegierungen verwendet. Indium und dessen Verbindungen spielen eine wichtige Rolle in der Halbleitertechnik. Die Einsatzgebiete seien hier kurz genannt:
- Verwendung in Hallsonden, die zur Messung von Magnetfeldern dienen.
- Ternäre Indiumlegierungen mit Schwermetallantimoniden zeigen anisotropische elektrische Eigenschaften.
- Intermetallische indiumhaltige Verbindungen eignen sich zum Bau von InfrarotSensoren und Solarkollektoren.
- Indiumzinnoxid (ITO) ist lichtdurchlässig und elektrisch leitend und wird daher vielfältig als durchsichtige Zuleitung auf Solarbatterien oder flüssig-kristallinen Digitalanzeigen (LCD) benutzt.

Verbindungen

- In₂O₃ : Indiumoxid, gelber Feststoff, entsteht bei der Oxidation von Indiumpulver
- InSe : Indiumselenid, schwarze Kristalle, Verwendung als Halbleiter
- InP : Indiumphosphid, spröde Masse, Halbleiter für Solarzellen

Weblinks

- [http://www.smart-elements.com/?arg=zoom&element=In&art=27&linkid=wiki-In#magnify Hochreines Indium in der Elemente-Börse] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Erdmetall Kategorie:Periode-5-Element ja:インジウム th:อินเดียม

Zinn

Zinn (altgermanische Bezeichnung: z. B. althochdeutsch zin = Stab, Zinn) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Sn (lat. stannum = Zinn) und der Ordnungszahl 50. Es ist ein silberweiß glänzendes und sehr weiches Schwermetall, das sich mit dem Fingernagel ritzen lässt. Auffällig ist sein niedriger Schmelzpunkt und die relativ hohe Siedetemperatur.

Geschichte

Das Metall ist vermutlich seit 3500 v. Chr. bekannt; allerdings wurde im südtürkischen Taurus-Gebirge ein Zinnbergwerk entdeckt, welches auf etwa 3000 v. Chr. datiert wird. Durch die Legierung Bronze, deren Bestandteile Kupfer und Zinn sind, ist es von großer Bedeutung (Bronzezeit). Im Lateinischen heißt Zinn "stannum", daher rührt auch das chem. Symbol Sn. Nachdem die Bronze durch das Eisen verdrängt wurde, erlangte Mitte des 19. Jahrhunderts Zinn durch die Herstellung von Weißblech industrielle Bedeutung.

Herstellung und Vorkommen

Zinn lässt sich leicht aus Zinnstein (Kassiterit, ein rotbraun/schwarzes Erz auch Zinnoxid, SnO₂) gewinnen. Dazu wird das Erz zuerst zerkleinert und dann durch verschiedene Verfahren (Aufschlämmen, elektrische/magnetische Scheidung) angereichert. Nach der Reduktion mit Kohlenstoff wird das Zinn knapp über seine Schmelztemperatur erhitzt, so dass es ohne höherschmelzende Verunreinigungen abfließen kann. Heute gewinnt man einen Großteil durch Recycling und hier durch Elektrolyse. In der Erdkruste ist es mit einem Anteil von etwa 0,0035 Massenprozent vertreten. Nach aktuellen Schätzungen reichen die vorhandenen Lagerstätten noch etwa 35 Jahre. Zinn kommt zu über 80% als Ansammlung in Schwemmlandablagerungen (Sekundärlagerstätten) an Flüssen sowie auf dem Meeresgrund vor. Hierbei ist eine Region beginnend in Zentralchina über Thailand bis nach Indonesien bevorzugt. Das Material in den Schwemmlandlagerstätten hat nur einen Metallanteil von etwa 5%. Erst nach verschiedenen Schritten zur Konzentrierung auf etwa 75% wird ein Schmelzprozess eingesetzt. 2004 wird die Zinnproduktion vermutlich wie folgt aussehen: Volksrepublik China etwa 30%, restliches Südostasien etwa 30%, Südamerika etwa 20%.

Eigenschaften

Zinn kann drei Modifikationen mit verschiedener Kristallstruktur und Dichte annehmen. α-Zinn (kubisches Gitter, 5,75 g/cm³) ist unterhalb von 13,2 °C stabil, β-Zinn (tetragonales Gitter, 7,31 g/cm³) bis 162 °C und γ-Zinn (rhombisches Gitter, 6,54 g/cm³) oberhalb von 162 °C oder unter hohem Druck. Natürliches Zinn besteht aus zehn verschiedenen stabilen Isotopen, das ist die größte Anzahl aller Elemente. Außerdem sind noch 28 radioaktive Isotope bekannt. Die Rekristallisation von β-Zinn in α-Zinn bei niedrigen Temperaturen äußert sich als die so genannte Zinnpest. Beim Verbiegen des relativ weichen Zinns, beispielsweise von Zinnstangen, tritt ein charakteristisches Geräusch, das "Zinngeschrei" (auch "Zinnschrei"), auf. Es entsteht durch die Reibung der β-Kristallite aneinander. Das β-Zinn hat einen abgeflachten Tetraeder als Raumzellenstruktur, aus dem sich zusätzlich zwei Verbindungen ausbilden. Durch die Oxidschicht, mit der Zinn sich überzieht, ist es sehr beständig. Von konzentrierten Säuren und Basen wird es jedoch unter Entwicklung von Wasserstoffgas zersetzt.

Biologische Wirkung

Metallisches Zinn ist auch in größeren Mengen an sich ungiftig. Die Giftwirkung einfacher Zinnverbindungen und Salze ist gering. Einige organische Zinnverbindungen dagegen sind hochtoxisch. Die Trialkyl-Zinnverbindungen (insbesondere TBT, engl. "TriButylTin", Tributylzinn) und Triphenylzinn werden in Anstrichfarbe für Schiffe verwendet, um die sich an den Schiffsrümpfen festsetzenden Mikroorganismen und Muscheln abzutöten. Dadurch kommt es in der Umgebung von großen Hafenstädten zu hohen Konzentrationen an TBT im Meerwasser. Die toxische Wirkung beruht auf der Denaturierung einiger Proteine durch die Wechselwirkung des Schwefels aus Aminosäuren beispielsweise Cystein.

Verwendung

Seit Jahrhunderten wird Zinnblech großflächig zur Herstellung von Orgelpfeifen im Sichtbereich verwendet. Diese behalten ihre silbrige Farbe über viele Jahrzehnte. Das weiche Metall wird als Legierung verwendet und hat für die Klangentfaltung sehr gute vibrationsdämpfende Eigenschaften. Zu tiefe Temperaturen sind wegen der Umwandlung in α-Zinn schädlich für Orgelpfeifen. Viele Haushaltsgegenstände, Geschirre, Tuben und Dosen wurden früher ganz aus Zinn gefertigt, rundweg der einfacheren Verarbeitungstechnologie der Zeit entsprechend. Mittlerweile jedoch wurde das relativ kostbare Material durch preiswertere Möglichkeiten ersetzt. Industriell stellt man aus verzinntem Eisenblech so genanntes Weißblech her, beispielsweise für Konservendosen oder Backformen. Tin, das englische Wort für Dose bzw. Konservenbüchse ist mit dem Wort Zinn verwandt. Zu dünner Folie gewalzt nennt man es auch Stanniol, hier ist Zinn im 20. Jahrhundert durch das viel preiswertere Aluminium verdrängt worden. Bei manchen Farbtuben und Weinflaschenverschlüssen kommt uns Zinn noch entgegen. Als Legierungsbestandteil wird Zinn vielfältig verwendet, mit Kupfer zu Bronze oder anderen Werkstoffen legiert. Die Legierung der goldfarbigen Euromünzen, die wir täglich zwischen den Fingern anfassen Nordisches Gold, beinhaltet unter anderem 1% Zinn. Als Bestandteil von Metalllegierungen mit niedrigem Schmelzpunkt ist es unersetzbar. Weichlot (so genanntes "Lötzinn") zur Verbindung elektronischer Bauteile (beispielsweise auf Leiterplatten) wird mit Blei (eine typische Mischung ist etwa 63 % Sn und 37 % Pb) und anderen Metallen in geringerem Anteil legiert. Die Mischung schmilzt bei etwa 183° C. In der Flachglasherstellung schwimmt die zähflüssige Glasmasse bis zur Erstarrung auf einer spiegelglatten flüssigen Zinnschmelze. In der modernen Industrie werden Zinnverbindungen als Stabilisator dem PVC Kunststoff beigemischt. Hochreine Zinn-Einkristalle eignen sich auch zur Herstellung von elektronischen Bauteilen. In Form einer transparenten Zinnoxid-Indiumoxid Verbindung ist es elektrischer Leiter in Anzeigegeräten wie LCD Displays. Das reine, weiße, nicht sehr harte Zinndioxid besitzt eine hohe Lichtbrechung und wird im optischen Bereich und als mildes Poliermittel eingesetzt. In der Dentaltechnik wird Zinn auch als Bestandteil von Amalgamen zur Zahnfüllung eingesetzt. Die sehr toxischen organischen Zinnverbindungen finden als Fungizide oder Desinfektionsmittel Verwendung. Der Jahresweltverbrauch an Zinn liegt bei etwa 300.000 t. Davon werden etwa 35 % für Lote, etwa 30% für Weißblech und etwa 30% für Chemikalien und Pigmente eingesetzt. Durch die Umstellung der Zinn-Blei-Lote auf bleifreie Lote mit Zinnanteilen > 95% wird der jährliche Bedarf um etwa 10% wachsen. Die Preise steigen durch die hohe Nachfrage kontinuierlich. Im Jahre 2003 wurden an der LME (London Metal Exchanges) etwa 5.000 US-Dollar pro Tonne bezahlt. 2004 lagen die Preise zwischenzeitlich bei etwa 8.000 bis 10.000 US-Dollar pro Tonne. Die größten 10 Zinnverbraucher (2003) weltweit sind nach China auf Platz 1 die Länder USA, Japan, Deutschland, übriges Europa, Korea, übriges Asien, Taiwan, Großbritannien und Frankreich. Zinn wird anstelle von Blei auch zum Bleigießen verwendet. Stannum metallicum (= metallisches Zinn) findet auch bei der Herstellung von homöopathischen Arzneimitteln Verwendung.

Zusammenfassung

Zinn (Sn): Ist ein Silber weiß glänzendes Metall und hat eine Oxidschicht die sehr stabil gegenüber Chemikalien ist. Sn lässt sich gut auswalzen und kommt in 2 Modifikationen vor. Modifikation: Ist das Alpha – Sn. Dieses entsteht nur unter 13 °C und ist pulvrig. Modifikation: Ist das Beta – Sn. Dieses ist nur über 13 °C stabil.

Siehe auch

- Zinnschrei
- Indiumzinnoxid
- zum historischen Zinnabbau im Erzgebirge siehe Plattner_Kunstgraben#Der_Zinnabbau

Weblinks

- http://www.uniterra.de/rutherford/ele050.htm
- http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Lexikon/50Zinn.htm Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Gruppe-14-Element Kategorie:Periode-5-Element Kategorie:Schwermetall ja:錫

Organische Leuchtdiode

Eine Organische Leuchtdiode, kurz OLED (Kurzform für organic light-emitting diode), ist eine Leuchtdiode aus organischen, halbleitenden Polymeren oder kleinen Molekülen (small Molecules). Diese Geräte können weitaus kostengünstiger hergestellt werden als anorganische LEDs. Durch Anordnung vieler kleiner OLEDs können grafische Bildschirme - zum Beispiel für Fernseher, PC-Bildschirme und viele weitere Anwendungen - hergestellt werden. Auch zur Beleuchtung sollen sie in der Zukunft eingesetzt werden. Einer der großen Vorteile der OLEDs gegenüber den herkömmlichen Flüssigkristallbildschirmen ist, dass sie ohne Hintergrundbeleuchtung auskommen. Dadurch benötigen sie deutlich weniger Energie und können auch gut in kleinen tragbaren Geräten eingesetzt werden, bzw. deren Laufzeiten verlängern. Das Display ist so dünn wie eine Plastik-Folie und auch so biegsam. Es hat einen großen Blickwinkelbereich von bis zu 170° und eine hohe Schaltgeschwindigkeit, wodurch es sich besonders gut zur Darstellung von bewegten Bildern eignet. OLEDs werden als Nachfolger der heutigen LCDs gesehen. Der südkoreanische Konzern Samsung präsentierte auf der Konferenz [http://www.sid.org/conf/sid2005/sid2005.html SID 2005] in Boston ein 40 Zoll OLED-Panel. Die Lebensdauer gibt noch einige Probleme auf, denn die roten, grünen und blauen Pixel altern unterschiedlich schnell. Durch dieses unregelmäßige Altern der Einzelfarben kommt es zu Farbverzerrungen des Gesamtbildes. Die Lebensdauer ist mit ca. 5000 h noch eher kurz.

Funktion der Organischen Leuchtdiode

Boston Den Schlüssel zur Funktion der OLEDs liefert z.B. ein organischer Farbstoff. Dieser Farbstoff hat verschiedene Anregungszustände. Durch das Zusammentreffen von Elektron und Loch am Farbstoff wird ein angeregter Zustand besetzt, von dem ein Photon (Lichtteilchen) ausgesendet werden kann. Der Farbstoff kann auch durch Licht angeregt werden, was z.B. zur Fluoreszenz führt. Ziel ist es allerdings, selbstleuchtende Displays herzustellen, die die organische Elektrolumineszenz nutzen. Die angeregten Zustände werden in einem dünnen Film (etwa 0,3 µm) des Farbstoffs erzeugt. Durch diesen Film fließt auf folgende Weise ein Strom: Angeregte Elektronen werden an einer Seite über eine Metallkathode, Löcher an der anderen Seite, der Anode, eingespeist. Die Elektronen und Löcher wandern in den Farbstoff, treffen sich und bilden angeregte Zustände. Hierbei liegt typischerweise eine Spannung zwischen der metallischen Kathode und der transparenten Anode von etwa 5 - 10 V an. Wenn die Elektronen in die Löcher "fallen" (Rekombination), wird das gewünschte Licht abgegeben. Die Farbe dieses Lichts hängt von der bei diesem Prozeß freiwerdenden Energie ab. Durch die Wahl des organischen Materials kann die Farbe gezielt verändert werden. Derivate von Poly(p-Phenylen-Vinylen) (PPV) werden gewöhnlich als Polymer-Farbstoffe in OLEDs verwendet. Indium-Zinn-Oxid (ITO) wird meist als Anode verwendet. Andere Materialien werden zwischen Kathode, Anode und die Farbstoffschicht hinzugefügt, um die Effizienz zu erhöhen. Die Grundpatente für OLED-Strukturen stammen aus den 80er Jahren. Hierbei war die Firma Kodak führend. Seit 1980 sind zu dem Thema etwa 6600 Patente bekannt. Forschungsschwerpunkte liegen in Japan, Südkorea und den USA. Die meisten Patente sind in Japan, gefolgt von den USA und Europa registriert. Deutschland liegt mit etwa 4,5% auf Platz drei hinter den USA mit etwa 22%. Derzeit liegen die Hauptanwendungen von OLED-Displays bei kleinen und kleinsten "Sub-Displays" für Handys und andere Kleingeräte. Dabei stehen sie in direkter Konkurrenz zu den LCDs. Die Hauptanbieter sind die Firmen Pioneer, Samsung und RiTdisplay. Eine wichtige neuere Entwicklung ist anzufügen: In jüngster Zeit werden Farbstoffmoleküle eingesetzt, die eine vierfach höhere Effizienz als mit den oben beschriebenen fluoreszierenden Molekülen erwarten lassen. Bei diesen effizienteren OLEDs werden metall-organische Komplexe verwendet, bei denen die Lichtaussendung aus Triplett-Zuständen erfolgt (Phosphoreszenz). Diese Moleküle werden auch Triplett-Emitter genannt. Eine detailliertere Beschreibung der Funktionsweise der OLEDs mit Triplett-Emittern finden sich zum Beispiel in den Referenzen 1 und 2 (siehe Quellen). Es sei auch auf den sehr gut gestalteten und etwas umfangreicheren Eintrag im [http://en.wikipedia.org/wiki/Organic_light-emitting_diode englischsprachigen wikipedia] verwiesen.

Forschung

- [http://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_IV/Physikalische_Chemie/Yersin/ Arbeitskreis von Prof. Yersin, Universität Regensburg]
- [http://www.ipms.fraunhofer.de/products/index.shtml?products_09.shtml IPMS]
- [http://www.iap.fhg.de IAP Institut Angewandte Polymerforschung]

Quellen

- [http://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_IV/Physikalische_Chemie/Yersin/OLEDvde.htm Hartmut Yersin, Triplet emitters for OLEDs. Introduction to exciton formation, charge transfer states, and triplet harvesting.]
- [http://www.springerlink.com/app/home/contribution.asp?wasp=f59a6af787de4e07a90ced31b01d577a&referrer=parent&backto=issue,1,6;journal,18,73;linkingpublicationresults,1:110311,1 H. Yersin, Triplet emitters for OLED applications. Mechanisms of exciton trapping and control of emission properties. Top. Curr. Chem. 241, S. 1 (2004).] ISSN: 0340-1022.
- Howard, Webster E., Better Displays with Organic Films. Scientific American, 290(2), [http://weblinks2.epnet.com/resultlist.asp?tb=1&_ua=bo+B%5F+shn+1+db+buhjnh+bt+TD++%22SIA%22+E539&_ug=sid+77F2E594%2D1616%2D4AB6%2D979B%2D85D3F911B2BF%40sessionmgr2+dbs+buh+cp+1+88F1&_us=hd+False+fcl+Aut+or+Date+frn+1+sm+ES+sl+%2D1+dstb+ES+ri+KAAACB1D00094356+17D4&_uh=btn+N+6C9C&_uso=st%5B0+%2DJN++%22Scientific++American%22++and++DT++20040201+tg%5B0+%2D+db%5B0+%2Dbuh+op%5B0+%2D+hd+False+0030&fn=31 S. 76] (2004).
- Shinar, Joseph (Ed.), Organic Light-Emitting Devices: A Survey. NY: Springer-Verlag (2004). ISBN 0-387-95343-4.

Hersteller

- [http://www.litearray.com Lite Array]
- [http://www.samsung.com Samsung Electronics]
- [http://www.merck-oled.de Merck OLED Materials (ehem. Covion)]

Weblinks

- [http://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_IV/Physikalische_Chemie/Yersin/ Wertvolle OLED-Links, Universität Regensburg]
- [http://www.oled-info.com OLED-Info.com - your source for OLED news and info]
- [http://www.oled.at oled.at - Informationsportal über OLED]
- [http://www.oledtoday.com/ oledtoday.com - weiteres Portal]
- [http://www.oled-display.net oled-display.net - Community for OLED-Displays]
- [http://www.displayforum.de DFF - Deutsches Flachdisplay Forum]
- [http://www.vs-c.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/neu/oled/oled.vlu.html vernetztes Studium Chemie] Kategorie:Diode ja:有機エレクトロルミネッセンス

Solarzelle

Solarzellen sind eine Anwendung der Photovoltaik. Sie wandeln Lichtenergie (in der Regel Sonnenlicht) in Gleichstrom unter Ausnutzung des photoelektrischen Effekts um. Sie funktionieren im Prinzip wie Photodioden und benötigen einen p-n-Übergang für die Ladungstrennung. Wenn Photonen auf die Solarzelle treffen, so geben sie ihre Energie an die Elektronen im Material ab. Dabei werden die Elektronen nicht wie bei der Photodiode aus dem Material herausgeschlagen, sondern auf ein höheres Energieniveau angehoben. Nach dem Bändermodell werden die Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband angehoben, in dem sie sich "frei" durch das Material bewegen können. Im Valenzband verbleibt eine positiv geladene Fehlstelle, ein Loch. Beim unbeleuchteten und unbelasteten p-n-Übergang diffundieren die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Löcher jeweils in die Richtung geringerer Konzentration, so dass ein elektrischer Diffusionsstrom fließt. Der Hauptteil dieser "freien" Ladungsträger stammt hierbei von den Fremdatomen der Dotierung. So lassen die Elektronen die positiv geladenen Atomrümpfe des Donators zurück, die Löcher dementsprechend die negativ geladenen Rümpfe. Das hierbei entstehende elektrische Feld der Atomrümpfe wirkt entgegengesetzt zum Diffusionsstrom der freien Ladungsträger solange bis ein Gleichgewicht entsteht. Wird die Zelle beleuchtet, entstehen pro Photon jeweils ein Elektron im Leitungsband und ein Loch im Valenzband, also ein "frei bewegliches" zusätzliches Ladungsträgerpaar. Dieses Paar kann ggf. (siehe Raumladungszone) im elektrischen Feld der Atomrümpfe getrennt werden. Hierbei werden bspw. die Elektronen von den positiven Atomrümpfen angezogen, "wandern" also Richtung n-Gebiet, d.h., es entsteht ein Strom in die Sperrrichtung der Diode. Soweit die Ladungsträger nicht wieder rekombinieren (ihre Energien wieder abgeben), kann dieser nun entstandene Strom (der Photostrom) von einem Verbraucher "abgegriffen werden". Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung liegt bei den gebräuchlichsten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei etwa 0,5 Volt. Um besser verwendbare Spannungen zu erreichen, werden in einem Solarmodul (auch Photovoltaikmodul) mehrere Solarzellen miteinander verschaltet. Die Zellen werden meist aus so genannten Wafern hergestellt, wie sie in der Computerindustrie üblich sind. Wafer right

Herstellung einer Siliziumsolarzelle

Herstellung der Siliziumkristallsäulen

Solarzellen können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Das Grundmaterial Silizium ist das zweithäufigste chemische Element, das in der Erdkruste vorkommt. Es liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vor. Aus Quarzsand kann in einem Hochofenprozess Rohsilizium mit Verunreinigungen von circa 1 % hergestellt werden. Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig. Dennoch können die heute verwendeten Solarzellen die für ihre Produktion erforderliche Energiemenge innerhalb von 1,5 bis 7 Jahren (je nach Bauart) wieder erzeugen, haben also eine positive Energiebilanz. Aus dem Rohsilizium wird dann über einen mehrstufigen Prozess polykristallines Reinstsilizium hergestellt. Die bis heute (2003) hier angewendeten Verfahren sind für die Elektronikindustrie optimiert und bieten für die geforderte Reinheit von Solarsilizium, die wesentlich niedriger liegt als bei Elektronikanwendungen benötigt, noch deutliches Kostenreduktionspotential. Hier wird zur Zeit intensiv geforscht. Das nun vorhandene Reinstsilizium kann auf sehr unterschiedliche Arten weiterverarbeitet werden. Für polykristalline Zellen kommen größtenteils das Gießverfahren, das Bridgman-Verfahren und das Bandzieh-Verfahren (EFG-Verfahren) zum Einsatz. Monokristalline Zellen werden fast immer nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt. Bei allen Verfahren gilt, dass die Dotierung mit Bor (siehe unten) schon beim Herstellen der Blöcke beziehungsweise Säulen vorgenommen wird.

Gießverfahren

Das Gießverfahren dient zur Herstellung von polykristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen und dann langsam in eine quadratische Wanne gegossen, in der es nun langsam erstarrt. Die Kantenlänge der Wanne beträgt etwa 50 cm, die Höhe der erstarrten Schmelze etwa 30 cm. Der große Block wird in mehrere Säulen von etwa 30 cm Länge zerteilt; dabei kann mit einer Ausbeute von etwa 70 % gerechnet werden.

Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient ebenfalls zur Herstellung von polykristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird hier ebenfalls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen. Die langsame Abkühlung der Schmelze, bei der sich große Zonen gleichgerichteter Kristallgitter ausbilden, findet hier im gleichen Tiegel statt. Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben im Tiegel angehoben, so dass sich oben bis zum Schluss flüssiges Silizium befindet, während vom Tiegelboden her das Erstarren erfolgt. Hier sind die Kantenlängen etwas größer als beim Gießverfahren (etwa 60 bis 70 cm), die Höhe des Blocks beträgt etwa 20 bis 25 cm. Der große Block wird ebenfalls in mehrere Säulen von etwa 20 bis 25 cm Länge zerteilt; die Ausbeute beträgt hier etwa 60 %.

EFG-Verfahren

Bei EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth) lässt man aus Reinstsilizium achteckige Röhren von etwa 5,6 m Länge nach unten wachsen. Die Kantenlänge der einzelnen Seiten beträgt 10 cm, die Wandstärke 280 µm. Nach Fertigstellung der Röhre wird diese entlang der Kanten mit NdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmten Raster dann über die Breite der jeweiligen Seite. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Herstellung von Zellen mit unterschiedlichen Kantenlängen (zum Beispiel 10 x 15 cm oder 10 x 10 cm). Es wird eine Ausbeute von etwa 80 % des Ausgangsmaterials erzielt. Bei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um polykristallines Material, welche sich vom Aussehen her deutlich von den gesägten Zellen unterscheidet. Unter anderem ist die Oberfläche der Zellen welliger. Dieses Verfahren wird auch Bandzieh-Verfahren genannt.

Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird für die Herstellung von langen monokristallinen Säulen genutzt. Vor der Herstellung der Zellen wird die entstandene zylindrische Säule noch quadratisch zurechtgeschnitten.

Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren dient auch der Herstellung monokristalliner Siliziumsäulen. Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheit ist im Normalfall höher als für die Solartechnik benötigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden. Deshalb wird diese Technik für die Solartechnik eher selten benutzt.

Waferherstellung

Die jeweiligen Säulen werden nun mit einem Drahtsägeverfahren in Scheiben, die sogenannten Wafer, gesägt. Dabei entsteht aus einem großen Teil des Siliziums Sägestaub, der gereinigt und wieder eingeschmolzen werden kann. Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei circa 0,25 bis 0,3 mm. Eine weitere Quelle für Wafer war früher der Ausschuss an Rohlingen für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen der Computerindustrie. Sind die Rohlinge dort zur Weiterverarbeitung nicht geeignet, können sie teilweise noch als Solarzelle verwendet werden. Mit den heutigen (2005) Herstellungsverfahren und dem enorm gestiegenen Bedarf der Solarindustrie hat die Verwendung von Ausschuss heute keine Bedeutung mehr. Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine homogene Oberfläche aus, während bei den polykristallinen Zellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kristallorientierung unterschieden werden können. Sie bilden ein eisblumenartiges Muster auf der Oberfläche. Zu diesem Zeitpunkt sind Vorder- und Rückseite der Zelle noch nicht festgelegt. Weiterhin gibt es noch ein Verfahren der US-amerikanischen Firma Evergreen Solar, bei dem die Wafer zwischen zwei Fäden direkt aus der Silizium-Schmelze gezogen werden. Hierbei entsteht weniger Abfall (wie Späne etc., die normalerweise direkt entsorgt werden) als bei den herkömmlichen Verfahren.

Waferprozessierung

Die gesägten Wafer durchlaufen nun noch mehrere chemische Bäder, um Sägeschäden zu beheben und eine Oberfläche auszubilden, die geeignet ist, Licht einzufangen. Hier gibt es verschiedene, herstellerspezifische Konzepte. Im Normalfall sind die Wafer schon mit einer Grunddotierung mit Bor versehen. Diese bewirkt, dass es überschüssige freie Löcher (positive Ladungen) gibt, das heißt, es können Elektronen eingefangen werden. Dies wird auch p-Dotierung genannt. Auf dem Weg zur fertigen Solarzelle mit p-n-Übergang muss nun die Oberfläche noch eine n-Dotierung bekommen, was durch Prozessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphäre geschieht. Die Phosphoratome schaffen eine Zone mit Elektronenüberschuss auf der Zelloberfläche, die etwa 1 µm tief ist. Als nächster Schritt werden die Zellen mit einer Antireflexionsschicht aus SiN_x oder TiO₂ versehen. Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle mit den notwendigen Lötzonen und der Struktur, welche für den besseren Abgriff des generierten elektrischen Stroms sorgt. Die Vorderseite erhält meist zwei breitere Streifen, auf denen später die Bändchen zum Verbinden mehrerer Zellen befestigt werden. Außerdem wird ein sehr dünnes, elektrisch gut leitendes Raster aufgebracht, was einerseits den Lichteinfall so wenig wie möglich behindern soll, andererseits die Ladungsträger so schnell wie möglich einsammeln soll, damit der ohmsche Widerstand so gering wie möglich ist. Die Rückseite wird meist vollflächig mit einem gut leitenden Material beschichtet. Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischen und elektrischen Merkmalen klassifiziert, sortiert und für die Modulproduktion ausgeliefert.

Andere Solarzellentypen

Dünnschichtzellen

Die Dünnschichtzellen werden im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Zellen meist durch Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial aufgebracht. Dies kann Glas, Metallblech, Kunststoff oder auch ein anderes Material sein. Der Materialeinsatz ist sehr gering, während die Kombinationen der Halbleiter so gewählt sind, dass trotzdem ein recht hoher Wirkungsgrad entsteht (derzeit im November 2005 max. 5%). Noch sind aber die Wirkungsgrade für großtechnische Anwendung niedriger als bei der konventionellen Technik, und die Haltbarkeit der Zellen im Dauereinsatz muss erst noch bewiesen werden. Durch technologische Fortschritte, den geringen Materialeinsatz und das große Feld der möglichen Trägermaterialien hofft man, in Zukunft eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen, so dass diese Technik auf lange Sicht die sehr kostenintensive Dickschichttechnik ersetzen kann. Mögliche Materialien sind zum Beispiel amorphes Silizium (a-Si), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Schwefel-Selen-Verbindungen (CIS, oder CIGS, wobei hier S für Schwefel oder Selen stehen kann, je nach Zelltyp). Ein neues, sehr viel versprechendes Verfahren ist CSG "Crystalline Silicon on Glass", es vereint die Vorteile von kristallinem Silizium als Zellenmaterial mit den geringen Kosten der Dünnfilmtechnik. Dabei wird eine weniger als zwei Micrometer dünne Siliziumschicht direkt auf einen Glasträger aufgebracht, die kristalline Struktur wird nach einer Wärmebehandlung erreicht. Die Realisierung der Stromführung erfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik. Derzeit (2005) ist in Deutschland eine Fabrikationsanlage im Bau. Die Auslieferung der ersten Module wird für 2006 erwartet. (Quelle: [http://www.csgsolar.com.au/ CSG Solar])

Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

Dieser Zelltyp ist auch bekannt als Grätzel-Zelle. Bei diesem Zelltyp wird der Strom anders als bei den bisher aufgeführten Zellen über die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewonnen; als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz. Als Farbstoffe werden hauptsächlich Komplexe des seltenen Metalls Ruthenium verwendet, zu Demonstrationszwecken können aber selbst organische Farbstoffe, zum Beispiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (aus Brombeeren) als Lichtakzeptor verwendet. (Diese besitzen aber nur eine geringe Lebensdauer.) Die Funktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklärt; die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, ist aber produktionstechnisch noch nicht in Sicht.

Fluoreszenz-Zelle

Hierbei handelt es sich eigentlich um einen Kollektor für Solarstrahlung, eine Beschreibung findet sich beim Thema Solarmodul.

Geschichte

Hauptartikel: Geschichte der Fotovoltaik Schon 1836 erkannte Alexandre Edmond Becquerel, dass eine Batterie, die von der Sonne beschienen wird, eine größere Leistung hervorbrachte als eine ohne Sonnenbestrahlung. Er nutzte den Potentialunterschied (Säurebad mit belichtetem und unbelichtetem Teil) zwischen einer verdunkelten und einer belichteten Seite einer chemischen Lösung, in die er zwei Platinelektroden eintauchte. Als er nun diese Konstruktion in die Sonne stellte, beobachtete er, dass ein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand. So entdeckte er den photovoltaischen Effekt, konnte ihn allerdings noch nicht erklären. 1904 entdeckte der deutsche Physiker Philipp Lenard, dass Lichtstrahlen beim Auftreffen auf bestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberfläche herauslösen, und lieferte damit die ersten Erklärungen für den Photoeffekt. Doch er wusste noch nicht genau, warum dies passiert, und bei welchen Metallen es geschieht. Dennoch erhielt er für seine Entdeckung 1905 den Physiknobelpreis. Den endgültigen Durchbruch schaffte 1905 Albert Einstein, als er mit Hilfe der Quantentheorie die gleichzeitige Existenz des Lichts sowohl als Welle als auch als Teilchen erklären konnte. Bis dahin glaubte man, dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicher Wellenlänge auftritt. Doch Einstein stellte in seinen Versuchen, die Photovoltaik zu erklären, fest, dass sich Licht in manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhält, und dass die Energie jedes Lichtteilchen oder Photons nur von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Er beschrieb das Licht als eine Ansammlung von Geschossen, die auf das Metall treffen. Wenn diese Geschosse genügend Energie besitzen, wird ein freies Elektron, das sich im Metall befindet und von einem Photon getroffen wird, vom Metall gelöst. Außerdem entdeckte er, dass die maximale Energie, die abgegeben wird, von der Intensität des Lichtes unabhängig ist, und nur von der Energie abhängt, die ein auftreffendes Photon abgibt. Diese Energie hängt wiederum nur von der Wellenlänge und der Frequenz des Lichtes ab. Für seine Arbeit zur Photovoltaik erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik. Die Entdeckung des p-n-Übergangs im Jahre 1949 durch William B. Shockley, Walther H. Brattain und John Bardeen war ein weiterer großer Schritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form. Nach diesen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ihrer heutigen Form nichts mehr entgegen. Es ist jedoch einem glücklichen Zufall zu verdanken, dass diese erste Solarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischen Firma Bell gebaut wurde. Die Mitarbeiter der Firma beobachteten, als sie einen Gleichrichter, der mit Hilfe von Silizium arbeitete, untersuchten, dass dieser mehr Strom lieferte, wenn er in der Sonne stand, als wenn er zugedeckt war. Die Firma Bell entwickelte so die ersten Solarzellen. Diese hatten allerdings nur einen Wirkungsgrad von 4 bis 6 Prozent. 1958 wurden die Solarzellen auf Satelliten getestet. Die dort erzielten Ergebnisse waren grandios. Es wurden Wirkungsgrade bis 10,5 % berechnet. Diese Ergebnisse waren jedoch nicht auf die Verhältnisse auf der Erdoberfläche übertragbar, da im Weltraum die natürliche Sonnenstrahlung keinen Tag-Nacht-Rhythmen und keiner Absorption durch Wolkendecken und Atmosphäre unterliegt. Seit dieser Zeit versuchen Industrie und Forschung, immer größere Wirkungsgrade zu erreichen. Der theoretische Wirkungsgrad liegt bei 29 % für die Strahlungsverhältnisse in mittleren Breiten. Zu den Wirkungsgraden siehe auch technische Merkmale. Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit etwa 100 mm Kantenlänge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) die üblichste Baugröße. Danach wurden auch Fünf-Zoll-Zellen verstärkt eingeführt, und seit etwa 2002 sind auch Sechs-Zoll-Zellen (Kantenlänge etwa 150 mm) für Standardmodule eine gängige Größe.

Formen und Größen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnik wurden häufig runde Zellen eingesetzt, deren Ursprung von den meist runden Siliziumsäulen der Computerindustrie herrührt. Inzwischen ist diese Zellenform relativ selten, und es werden quadratische Zellen oder fast quadratische mit mehr oder weniger abgeschrägten Ecken eingesetzt. Durch Sägen der fertig prozessierten Zellen entstehen für spezielle Anwendungen im Kleingerätebereich auch Zellen mit kleineren Kantenlängen. Sie liefern annähernd die gleiche Spannung wie die großen Zellen, jedoch entsprechend der kleineren Fläche einen kleineren Strom. Im EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt, bei denen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die gleichen Längen haben.

Technische Merkmale

Die Kenngrößen einer Solarzelle werden für normierte Bedingungen (STC, Standard Test Conditions) angegeben (Einstrahlungstärke von 1000 W/m² in Modulebene, Temperatur der Solarzelle 25 °C konstant, Strahlungspektrum AM 1,5 global; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904). Hierbei steht AM 1,5 global für den Begriff Air Mass, die 1,5 dafür, dass die Sonnenstrahlen hierbei das 1,5-fache der Atmosphärenhöhe durchlaufen, weil sie schräg auftreffen. Dies entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenheiten in Mitteleuropa von Norditalien bis Mittelschweden. Im Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblich tiefer, und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realistischer. Durch die Absorption in der Atmosphäre verschiebt sich auch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. "Global" steht für Globalstrahlung, die sich aus dem Diffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusammensetzt. Hierbei ist zu beachten, dass in der Realität insbesondere die Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung, die in Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wird, bei normalem Betrieb wesentlich höher liegt (je nach Anbringung, Windanströmung etc. kann sie zwischen etwa 30 und 60 °C liegen). Eine erhöhte Zellentemperatur bedeutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungsgrad der Solarzelle. Aus diesem Grund wurde auch eine weitere Bezugsgröße geschaffen, P_NOCT, die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal operating cell temperature). Deutschland Gebräuchliche Abkürzungen für die Bezeichnungen sind
- SC: Short Circuit - Kurzschluss
- OC: Open Circuit - Leerlauf
- MPP: Maximum Power Point - Betriebspunkt maximaler Leistung Die Kennwerte einer Solarzelle sind
- Leerlaufspannung

U_

(auch

V_

)
- Kurzschlussstrom

I_

- Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt

U_

(auch

V_

)
- Strom im Betriebspunkt mit maximaler Leistung

I_

- Maximale erzielbare Leistung

P_

- Füllfaktor

FF

- Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
- Zellwirkungsgrad

\eta

Solarzellen können also eine Leistung von sehr grob 160 W/m² abgeben. Eingebaut in ein Modul ist die Leistung pro Fläche geringer, da zwischen den Zellen und zum Modulrand Abstände vorhanden sind. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist das Verhältnis von erzeugter elektrischer Leistung zur Leistung der Globalstrahlung. Halbleiter mit fester Bandlücke nutzen nur einen Teil des Sonnenlichtes. Ihr maximaler theoretischer Wirkungsgrad liegt bei ungefähr 30 % [http://www.ds.mw.tu-darmstadt.de/services/education/MaWi_Physik_WS2002/Versuchsanleitungen/030128_Solarzellen_OF.pdf]. Bei Mehrschichtsystemen bzw. Multibandsystemen, die für verschiedene Farben des Sonnenlichts sensibilisiert sind, liegt die theoretische Grenze bei über 50% [http://www.wissenschaft.de/wissen/news/174222.html]. Wirkunngsgrade kommerziell erhältlicher Zellen gehen bis knapp über 20 Prozent (siehe Tabelle). Damit hergestellte Solarmodule erreichen bis etwa 17 Prozent Wirkungsgrad. Der Rekord für im Labor hergestellte Solarzellen liegt bei 24,7 Prozent (University of New South Wales, Australien), mit denen Module mit über 22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden. Der Preis für diese im Zonenschmelzverfahren hergestellten Zellen liegt bei etwa 200 Euro pro Zelle bei einer Zellfläche von 21,6 cm². Die Degradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten) liegt bei ca. 10 Prozent in 25 Jahren. Hersteller geben beispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent der Peak-Leistung nach 20 Jahren. Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante größer als die Globalstrahlung auf der Erde, andererseits altern die Solarzellen schneller. Solarpanele für Satelliten erreichen zur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25% [http://www.esa.int/techresources/ESTEC-Article-art_print_friendly_1115706332477.html] bei einer Betriebszeit von 15 Jahren.

Verschiedene Arten von Solarzellen

Solarzellen kann man nach verschiedenen Kriterien einordnen. Das gängigste Kriterium ist die Materialdicke. Hier wird nach Dickschicht- und Dünnschichtzellen unterschieden. Ein weiteres Kriterium ist das Material: Es werden zum Beispiel CdTe, GaAs oder CuInSe eingesetzt, weltweit am häufigsten jedoch Silizium. Die Kristallstruktur kann kristallin oder amorph sein. Amorphe Materialien haben keine einheitliche Gitterstruktur. Nach der verwendeten Technik bei der Fertigung der Zelle aus dem Wafer unterscheidet man verschiedene Oberflächenstrukturierungen und Anordnungen der Zellenkontaktierung. In der Dünnschichttechnik sind zudem noch verschiedenste Kombinationen von Solarzellen möglich, die gestapelt werden können, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden kann.

Eine Einteilung nach Materialien

# Siliziumzellen #
- Dickschicht #
- monokristalline Zellen (c-Si)
hohe Wirkungsgrade (großtechnisch bis über 20 % Wirkungsgrad erzielbar, gut beherrschte Technik; allerdings erfordert die Herstellung einen sehr hohen Energieeinsatz, der sich deutlich negativ auf die Energierücklaufzeit auswirkt #
- polykristalline Zellen (mc-Si)
inzwischen sind großtechnisch wohl Wirkungsgrade bis über 16 % möglich, relativ kurze Energierücklaufzeiten, bisher und wohl auch noch einige Zeit die Zelle mit dem günstigsten Preis-Leistungs-Verhältnis #
- Dünnschicht #
- amorphes Silizium (a-Si) #
- kristallines Silizium # GaAs-Zellen
hohe Wirkungsgrade, sehr temperaturbeständig, geringerer Leistungsabfall bei Erwärmung als kristalline Siliziumzellen, immer noch sehr teuer in der Herstellung, werden häufig in der Raumfahrt eingesetzt # CdTe
soll großtechnisch sehr günstig herstellbar sein, für eine Laborsolarzelle sind schon etwa 16% erreicht worden, Modul-Wirkungsgrade bisher noch deutlich unter 10 %, Langzeitverhalten noch nicht bekannt. # CIS-, CIGS-Zellen
CIS steht für Kupfer-Indium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Es existiert eine Pilotfertigung zur Fertigung von Kupfer-Indium-Diselenid-Modulen in Marbach am Neckar sowie eine Pilotfertigung von Solarmodulen auf Basis von Kupfer-Indium-Disulfid in Berlin, und es entsteht derzeit eine Pilotfertigung von Solarmodulen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid in Uppsala/Schweden.
Diese Hersteller planen ab 2006, Solarmodule in Massenproduktion herzustellen. # organische Solarzellen
Die organische Chemie liefert Werkstoffe, die eine kostengünstige Fertigung von Solarzellen erlauben. Bisheriger Nachteil ist ihr deutlich schlechterer Wirkungsgrad und die recht kurze Lebensdauer der Zellen. # Farbstoffzellen
oder auch Grätzel-Zellen nutzen organische Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie, ein Vorgang, der an die Photosynthese anlehnt.

Hersteller von Solarzellen (Auswahl)

Deutschland

- ANTEC SOLAR ENERGY AG, Arnstadt (Thüringen)
- Deutsche Cell GmbH (SolarWorld AG-Tochter), Freiberg (Sachsen)
- ErSol Solar Energy AG, Erfurt (Thüringen)
- Q-Cells AG, Thalheim (Sachsen-Anhalt)
- Schott Solar GmbH, Alzenau (Bayern)
- Shell Deutschland GmbH, Gelsenkirchen (Nordrhein-Westfalen)
- SULFURCELL Solartechnik GmbH, Berlin

Ausland

- GE Energy - Solar Power (USA) (früher Astropower)
- Isofoton (Spanien)
- Microsol Power Pvt. Ltd. (Indien)
- Photowatt (Frankreich)
- Solibro AB, Uppsala (Schweden)

Weblinks

- [http://www.pv-uni-netz.de/ PV-Uni-Netz.de]
- [http://www.solarserver.de/ Solarserver.de]
- [http://www.volker-quaschning.de/ Volker Quaschning (persönliche Homepage)]
- [http://www.asc.angstrom.uu.se/en/ Ångström Solar Center (Uppsala)] (englische Seite)
- [http://www.solarfoerderung.de/ Informationen rund um die Finanzierung von Solaranlagen]
- [http://www.solarintegration.de/ Informationsportal für solares Gestalten und Bauen] Kategorie:Solarenergie Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Umwelttechnik Kategorie:Diode ja:太陽電池 ko:태양 전지

Sputtern

Beim Beschuss einer Oberfläche mit Ionen können, abhängig von den verwendeten Ionen und ihrer kinetischen Energie, verschiedene Effekte auftreten:
- Es wird Material von dem bombardierten Target (Kathode) abgetragen. Dies wird auch als Sputtern (engl. to sputter = zerstäuben), oder in deutsch Kathodenzerstäubung, bezeichnet.
- Die Ionen werden in das Targetmaterial eingebaut und gehen dort gegebenenfalls eine chemische Verbindung ein. Dieser Effekt wird dann (reaktive) Ionenimplantation genannt.
- Die Ionen kondensieren auf dem beschossen Substrat, und bilden dort eine Schicht (Ionenstrahldeposition). Ist ein Materialabtrag beabsichtigt, müssen die Ionen eine gewisse Mindestenergie besitzen. Das auftreffende Ion überträgt seinen Impuls auf Atome des beschossenen Materials (Target), die dann - ähnlich wie beim Billard - weitere Kollisionen auslösen (Stoßkaskade). Nach mehreren Kollisionen hat ein Teil der Targetatome einen Impuls, der vom Targetinneren fortweist. Ist ein solches Atom genügend nahe der Oberfläche, und hat es eine hinreichend hohe Energie, verlässt es das Target. Die Sputterausbeute hängt dabei im wesentlichen von kinetischer Energie und Masse der Ionen sowie von der Bindungsenergie der Oberflächenatome und deren Masse ab. Um eine Atom aus dem Target herauszuschlagen, müssen die Ionen eine materialabhängige Mindestenergie (typ. 30-50 eV) aufbringen. Oberhalb dieser Schwelle nimmt die Ausbeute zu. Der zunächst starke Anstieg verflacht aber rasch, da bei hohen Ionenenergien diese Energie immer tiefer im Target deponiert wird und damit kaum noch die Oberfläche erreicht. Das Verhältnis der Massen von Ion und Targetatom bestimmt den möglichen Impulsübertrag. Für leichte Targetatome wird ein Maximum der Ausbeute erzielt, wenn Masse von Target und Ion annähernd übereinstimmen; mit zunehmender Masse der Targetatome verschiebt sich das Maximum der Ausbeute jedoch zu immer höheren Masseverhältnissen zwischen Ion und Targetatom. Der Ionenbeschuss erzeugt nicht nur neutrale Atome, sondern auch Sekundärelektronen, sowie in geringerem Umfang Sekundärionen und Cluster verschiedener Masse. Die Energieverteilung der gelösten Atom hat ein Maximum bei der halben Oberflächenbindungsenergie (einige eV), fällt aber zu hohen Energien nur langsam ab, so dass die mittlere Energie häufig ca. eine Größenordnung darüber liegt. Ausgenutzt wird dieser Effekt in Analysemethoden der Oberflächen- und Dünnschichtphysik, sowie zur Herstellung dünner Schichten (Sputterdeposition). Bei der Sputterdeposition wird in die Nähe des Targets ein Substrat gebracht, so dass die herausgeschlagenen Atome auf diesem kondensieren und eine Schicht bilden können. Der Druck in der Anlage muss dabei so gering sein, dass die Targetatome das Substrat auch erreichen. Aufgrund seiner großen technischen Bedeutung wird mit dem Begriff Sputtern häufig auch dieses Depositionsverfahren bezeichnet. Als Ionenquelle dient hierbei in den meisten Anwendungen eine Gleichstrom-Gasentladung, wobei unter dem Target zusätzlich ein Magnet angebracht ist. In dieser Konfiguration können alle leitfähigen Materialien deponiert werden. Es tritt keine Entmischung von Legierungen auf, was beispielsweise beim thermischen Verdampfen auftreten kann. Auch ist die Haftung der Schichten meist besser als bei aufgedampften, und es können große Flächen, z.B. Architekturglas, homogen beschichtet werden. Für diese Anwendung werden Magnetron-Kathoden mit einer Länge von 3.5 m eingesetzt. Auch werden so integrierte Schaltkreise auf Wafern metallisiert. Bei diesen Applikationen werden normalerweise möglichst reine Metallschichten gewünscht. Daher werden in diesen Fällen hochreine Edelgase eingesetzt, um eine Oxidation der Schichten zu vermeiden. Dies ist in der Regel Argon. Die Beschichtung von Architekturverglasungen oder Absorbern bei thermischen Sonnenkollektoren bestehen aus Schichtsystemen, bei denen auch transparente und teilabsorbierende Materialien, die häufig nicht oder nicht hinreichend elektrisch leitend sind, zum Einsatz kommen. Hier kann dem Inertgas (Argon) gezielt ein Reaktivgas (meist Stickstoff oder Sauerstoff) hinzugefügt werden, um entsprechende Verbindungen zu deponieren. Andere Nichtleiter, bei denen auch reaktive Sputterdeposition nicht möglich oder praktikabel ist, können meist mit Hochfrequenz- oder Ionenstrahlsputtern deponiert werden; allerdings geht hierbei der Vorteil der großflächigen Homogenität zum großen Teil verloren.

Weblink

Bilder von Sputterdepositionsanlagen: [http://www.interpane.net/bildmaterial/foto/standorte/stand_300dpi/Magnetron_Beschichtung.jpg (Weblink)] Quelle: [http://www.interpane.net Interpane Glas Industrie, Lauenförde] [http://www.vaat.biz/pages/204.htm (Weblink)] Quelle: [http://www.vaat.biz Von Ardenne Anlagentechnik, Dresden] [http://www.appliedfilms.com/fileadmin/PDF/Triton.pdf (Weblink)] Quelle: [http://www.appliedfilms.com Applied Films, Alzenau] [http://www.fep.fraunhofer.de (Weblink)] Quelle: [http://www.fep.fraunhofer.de Fraunhofer Institut FEP, Dresden] [http://www.iot.rwth-aachen.de (Weblink)] Quelle: [http://www.iot.rwth-aachen.de Institut für Oberflächentechnik, RWTH Aachen ] [http://www.ist.fraunhofer.de (Weblink)] Quelle: [http://www.ist.fraunhofer.de Fraunhofer Institut IST, Braunschweig] Kategorie:Beschichtungstechnik Kategorie:Mikroelektronik Kategorie:Oberflächenphysik ja:スパッタリング

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Ein Sol-Gel ist eine kolloidale Lösung (Sol) inorganischer, katalytischer Siliziumoxid-Partikel, die durch Gelation in ein Gel umgewandelt wurden. Man bezeichnet diesen Prozess als Sol-Gel-Prozess. Anwendungsgebiete sind unter anderem Coatingfilme, Xerogele, Aerogele und keramische Fasern. Kategorie:Weiche Materie

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