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Solarzelle

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

Photovoltaik

]] Die Fotovoltaik (auch Photovoltaik) beschäftigt sich mit der Umwandlung von Strahlungsenergie, vornehmlich Sonnenenergie, in elektrische Energie und ist seit 1958 zur Energieversorgung (zunächst von Satelliten) im Einsatz. Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos - das griechische Wort für Licht - und Volta - nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizität - zusammen.

Technische Beschreibung

Elektrizität Die als Licht auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie ist 10.000 mal höher als der Primärenergieverbrauch (Stand 1998, 402 E J) der Menschheit. Der Energieeintrag durch die Sonne beträgt pro Jahr etwa 1,1 · 10¹⁸ kWh. Diese Strahlungsenergie kann fotovoltaisch direkt in Elektrizität umgewandelt werden, ohne daß Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden und wandelbaren elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der fotoelektrische Effekt ausgenutzt. Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Fotovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt oder gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt. Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Fotovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie verfügbar zu haben, muss die Energie gespeichert werden. Dies kann beispielsweise mittels Akkumulatoren oder Brennstoffzellen geschehen. Bekannte, batteriegepufferte Inselsysteme sind Parkuhrsysteme, die sich häufig in größeren Städten finden. Die fotovoltaische Energiewandlung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich teurer, wobei allerdings große Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Fotovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage. Beispielsweise kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag bringen. Sinnvoll einsetzbar ist die fotovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse. Auch auf längere Sicht hin werden hierbei konventionelle Elektrizitätswerke nicht völlig zu ersetzen sein. Allerdings haben das Stromeinspeisegesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz zu einem Boom bei der Errichtung von Fotovoltaikanlagen in Deutschland geführt. So wurde Ende Juni 2005 die Schwelle von 1000 MW installierter elektrischer Leistung von Fotovoltaikanlagen überschritten, das entspricht einem großen konventionellen Kraftwerk und bedeutet eine Verhundertfachung in den letzten 10 Jahren.

Leistung

Die Nennleistung in der Fotovoltaik wird in W_p (Watt_peak) beziehungsweise kW_p angegeben. "peak" (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die dem Alltagsbetrieb nicht direkt entsprechen. Es handelt sich dabei auch nicht um die Leistung der Zelle oder des Moduls bei höchster Sonneneinstrahlung. Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder -module. Die elektrischen Werte der Bauteile unter diesen Bedingungen werden in den Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1000 W/m² Bestrahlungsstärke und einem Air Mass von 1,5 gemessen. Dies sind die STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden. Die Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² kommt in Mitteleuropa über ein Jahr gesehen nicht sehr häufig vor (je weiter südlich, desto häufiger). Im normalen Betrieb haben Solarmodule beziehungsweise die Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine wesentlich höhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 °C und damit auch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad. Bei Arnstein in der Nähe von Würzburg entsteht auf dem Gelände des ehemaligen Weinbauversuchsguts Erlasee 2005/2006 die größte Fotovoltaikanlage der Welt mit einer Leistung von mehr als 12 Megawatt.

Wirkungsgrad

Die mit Solarzellen in der Fotovoltaik erzielten Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent (beispielsweise etwa 6 Prozent für Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu über 35 Prozent (Konzentrator-Mehrschicht-Laborexemplar). Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 10 und 16 Prozent. Zur Gesamtbetrachtung fließen allerdings noch die Verluste des Wechselrichters mit ein. Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist die Fotovoltaik aufgrund des zur Zeit eher niedrigen Wirkungsgrades sehr flächenintensiv.

Potential

Trotz der scheinbar ungünstigen Bedingungen in Deutschland genügten etwa 2 Prozent der Gesamtfläche des Landes um in der Jahressumme die gleiche elektrische Energie zu ernten, die Deutschland insgesamt pro Jahr benötigt. Der Einwand, die Fläche in Mitteleuropa würde für einen wesentlichen Anteil von Fotovoltaik zur Energieversorgung nicht ausreichen, ist somit nicht haltbar. Die nötige Fläche könnte ohne Neuversiegelung über die Nutzung von bisher bebauten Flächen (vor allem Dächer) erreicht werden. Das oft geforderte Ausweichen auf sonnenreichere Gegenden ist also nicht notwendig. Diese Zahl ergibt sich bei einer installierten Leistung von einem kW_p pro 10 m² Fläche, einem jährlichen Energieertrag von ca. 750 kWh pro kW_p, einem Strombedarf Deutschlands von ca. 550 Milliarden kWh (die Größenordnung für das Jahr 2004) und der Gesamtfläche Deutschlands von ca. 350.000 km².

Geschichte der Fotovoltaik

Hauptartikel: Geschichte der Fotovoltaik Der fotoelektrische Effekt wurde bereits 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. 1876 wiesen William G. Adams und Richard E. Day diesen Effekt auch bei einem Selenkristall nach. Nach vielen weiteren Entdeckungen und Entwicklungen gelang es dann 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden von über vier Prozent, zu produzieren, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Die erste technische Anwendung wurde Ende der 1950er Jahre mit dem Vanguard I in der Satellitentechnik gefunden. In den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Fotovoltaikzellen. Ausgelöst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein wird verstärkt politisch versucht, die Erschließung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Führend sind hierbei die USA, Japan und auch die Bundesrepublik Deutschland, welche mit gesetzlichen Maßnahmen wie dem 100.000-Dächer-Programm und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erhebliche finanzielle Anreize bietet. Das 100.000-Dächer-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die Änderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergütung wurde entsprechend angehoben. Im Jahr 2005 erreicht die Gesamtleistung der in Deutschland installierten Fotovoltaik-Anlagen 1 Gigawatt_peak.

Siehe auch

- Solarstrom, Grätzel-Zelle, Füllfaktor (Solarzelle),
- Solarbatterie, Solarfahrzeug, Solarflugzeug, Solarluftschiff,
- Solartechnik, Regenerative Energie, Zukunftstechnologie, SolarWorld AG

Literatur

- Ralf Haselhuhn: Photovoltaik - Gebäude liefern Strom. Ein BINE-Informationspaket, TÜV Verlag, Köln 2005, ISBN 3-8249-0854-9
- Thomas Seltmann: Fotovoltaik: Strom ohne Ende. Solarpraxis Verlag, Berlin 2000 (aktualisiert 2004), ISBN 3-934595-02-2
- Adolf Goetzberger, Bernhard Voß, Joachim Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik. Teubner, Wiesbaden 1997, ISBN 3519132141
- H.-G. Wagemann, H. Eschrich: Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung. Teubner, Wiesbaden 1994, ISBN 3-519-03218-X

Weblinks

- [http://www.photovoltaikforum.com www.photovoltaikforum.com] - Benutzerforum zu allen Fragen rund um das Thema Photovoltaik
- [http://www.bine.info/templ_main.php/erneuerbare_energien/photovoltaik www.bine.info] - Portal zur Energieforschung: Thema Fotovoltaik
- [http://www.volker-quaschning.de www.volker-quaschning.de] informative Seite zur Fotovoltaik, zu regenerativen Energien
- [http://www.top50-solar.de www.top50-solar.de] - Portal mit den beliebtesten Webseiten zum Thema
- [http://www.solarserver.de www.solarserver.de] - Portal für Fotovoltaik in Deutschland
- [http://www.solaranlagen-portal.de www.solaranlagen-portal.de] - Solaranlagen-Portal
- [http://www.dgs.de www.dgs.de] - Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.
- [http://www.sfv.de www.sfv.de] - Solarenergie Förderverein Deutschland e.V.
- [http://www.solarwirtschaft.de www.solarwirtschaft.de] - Unternehmensvereinigung Solarwirtschaft
- [http://www.ise.fhg.de www.ise.fhg.de] - Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
- [http://www.pv-ertraege.de www.pv-ertraege.de] - Bundesweite Aufnahme der monatlichen Stromertragsdaten von Fotovoltaikanlagen
- [http://www.iwr.de/solar/eeg-rechner/index.php www.iwr.de] - EEG-Vergütungsrechner Photovoltaik
- [http://www.iwr.de www.iwr.de] - Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR)
- [http://www.nrel.gov/ncpv/ www.nrel.gov] - USA - National Center for Photovoltaics (englisch)
- [http://www.solarbuzz.com www.solarbuzz.com] - weltweite News und Preise (englisch)
- [http://groups.google.com/groups?q=alt.solar.photovoltaic groups.google.com] - Newsgroup alt.solar.photovoltaic (englisch)
- [http://bsi-solar.de www.bsi-solar.de] - Bundesverband Solar-Industrie Kategorie:Solarenergie Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Umwelttechnik

Sonnenlicht

] Die Sonnenstrahlung oder Solarstrahlung ist die Strahlung der Sonne. Sie hat ihr Maximum im sichtbaren Licht, umfasst aber auch andere elektromagnetische Wellen von Röntgen- und UV-Strahlung bis zu Radiowellen. Als Sonnenlicht werden neben der Sonnenstrahlung bezeichnet:
- das sichtbare Licht (Lichtspektrum) der Sonne.
- die durch die Erdatmosphäre gefilterte Sonnenstrahlung. Je nach Ort und Zeit ist die Wahrnehmung der Sonnenstrahlung durch das Klima oder weitere Bedingungen beeinflusst. Erreicht das Licht ungehindert durch Wolken die Erdoberfläche, herrscht dort Sonnenschein. Dieses Licht wird auch Direktstrahlung genannt. Licht, das über Reflexion an Wolken, Wasser- und Staubteilchen die Erdoberfläche erreicht, erzeugt die Diffusstrahlung. Diffusstrahlung und Direktstrahlung an einem Ort ergeben zusammen die dort einfallende Globalstrahlung.

Strahlungsgesetze und Strahlungsarten

Das Strahlungsmaximum liegt im gelb-grünen Licht, was sich aus der Sonnentemperatur von knapp 6000 °C und den Strahlungsgesetzen von Planck und Wien ergibt. Zusammen mit den roten und blauen Lichtanteilen empfinden unsere Augen diese Lichtstrahlung als weiß, während die nicht-sichtbare Strahlung großteils auf Infrarot entfällt, auf deren Wirkung die Wärmerezeptoren der Haut ansprechen. Von den kurzwelligeren Strahlen gelangt noch ein Teil des UV-Lichts zu uns (siehe Sonnenbrand und Ozonloch), während die vereinzelte Röntgenstrahlung von Sonneneruptionen (Flares) und die kosmische Strahlung (wie zum Beispiel Radio aktive Strahlung) von der Lufthülle abgeschirmt werden.

Die Solarkonstante

Hauptartikel: Solarkonstante Die gesamte Strahlungsleistung der Sonne, die pro Quadratmeter auf die Erde einfällt, wird durch die Solarkonstante beschrieben. Sie beträgt im Mittel :

E_0 = 1367\ \mathrm

. Ihr tatsächlicher Wert variiert jedoch um 3 bis 4 Prozent in beide Richtungen, weil sich der Abstand Erde-Sonne zwischen Januar und Juli von 147,1 bis 152,1 Millionen km ändert - also um ± 1,7 % (Exzentrizität der Erdbahn, siehe auch Milanković-Zyklen). Die Strahlungsleistung hängt allerdings auch von dem Winkel zur Sonne ab. Dieser verändert sich im laufe des Jahres. Zwischen September und März ist auf der Nordhalbkugel die Sonnenstrahlung weniger groß als auf der Südhalbkugel. Zwischen März und September ist dies genau umgekehrt. Der resultierenden Bestrahlungsstärke von 1.325 bis 1.420 W/m² überlagert sich noch ein quasi-periodischer Einfluss von 0,1 % wegen des 10-12jährigen Sonnenfleckenzyklus. Er wurde um 1700 erkannt und erstmals 1843 von Samuel Heinrich Schwabe in seiner Wirkung auf die Sonnenstrahlung untersucht.

Dämpfung durch die Atmosphäre

Die bis zur Erdoberfläche durchdringende Strahlung ist jedoch viel geringer, weil #die Erdatmosphäre und in ihr befindliche Aerosole die elektromagnetische Strahlung zu 20 bis 40 Prozent absorbieren bzw. ins All reflektieren, unter anderem in Abhängigkeit von der Bewölkung. #der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen nur in den Tropen bei idealen 90° liegen kann, siehe hierzu den nächsten Abschnitt und den Artikel Sonnenenergie. Steht die Sonne im Zenit, treffen auf Höhe des Meeresniveaus maximal etwa 800 W/m² ein, im Vergleich auf 3-4 km hohen Bergen jedoch etwa 1000 W/m². Wolken vermindern diesen Wert nochmals, doch geht der Erde dabei nur ein Teil der Energie "verloren" - nämlich jener Anteil, der ins Weltall zurück reflektiert wird. Das Air Mass gibt einen Wert für die Länge des Weges durch die Atmosphäre an.

Minderung durch schrägen Lichteinfall

Wesentlicher noch ist der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung - der Winkel zwischen den Strahlen und dem Horizont. Fällt die Licht- und Wärmestrahlung schräg ein, verteilt sie sich über eine größere Fläche auf der Erdoberfläche. Dieser Effekt verläuft genähert mit dem Sinus des Höhenwinkels, hängt aber lokal natürlich auch vom Gelände ab. Wenn ein Berghang im Schatten liegt, wird dies großteils von den im prallen Sonnenlicht liegenden Hängen wettgemacht, doch entstehen Temperaturunterschiede und lokale Winde (siehe Aufwind, Segelflug). Der Einfluss der Jahreszeiten ist in den Tropen kaum merklich, weil der Sonnenstand dort zu Mittag immer steil ist und sich sein Sinus kaum ändert. Dagegen wirkt der Unterschied zwischen Sommer und Winter umso mehr, je näher man zu den Polen kommt. In Mitteleuropa steht die Mittagssonne im Sommer 60-65° hoch und strahlt bei idealen Bedingungen mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 1000 Watt/m² herab, gemessen in der Horizontalen. Im Winter sind es nur 13-18° und selbst zu Mittag nur etwa 200 Watt/m² (ebenfalls in der Horizontalen gemessen). Für die Erwärmung der Erdoberfläche ist zusätzlich die Dauer des hellen Tages wichtig, die Ende Juni etwa 16 Stunden beträgt, im Dezember aber nur 8 Stunden. Daher liegt das Verhältnis der gesamten eingestrahlten Sonnenenergie zwischen diesen Monaten bei etwa 5:1 bis 10:1, wird aber durch Wärmespeicherung im Erdboden und vor allem in den Meeren gemildert. Betrachtet man die winterliche Situation nicht nur in der horizontalen Ebene, so ist die einfallende Energie natürlich höher. Normal zum Lichteinfall erreicht sie den Großteil der Sommerwerte, was über die Mittagsstunden zur Wärmeproduktion mit Solarkollektoren oder in Wintergärten nutzbar ist.

Strahlungsbilanz, Treibhauseffekt und Wetter

Die Temperatur der Erdoberfläche wird global von der Strahlungsbilanz bestimmt - dem Zusammenwirken von Absorption und Reflexion sowie Re-Emission und Streuung.
Die zur Erde kommende Sonnenenergie wird durch Wolken, Luft und Boden (hier besonders von Schnee) zu 30 % wieder in den Weltraum reflektiert (das heißt die Albedo der gesamten Erde ist 0,30). Die restlichen 70 % werden absorbiert: rund 20 % von der Atmosphäre, 50 % vom Erdboden. Letztere werden durch Wärmestrahlung und Konvektion wieder an die Lufthülle abgegeben. Würde alle diese Energie wieder zur Gänze in den Weltraum abgestrahlt, läge die mittlere Lufttemperatur bei -18 °C, während sie tatsächlich +15 °C beträgt. Die Differenz erklärt sich aus dem natürlichen Treibhauseffekt der Atmosphäre. Deren so genannte Treibhausgase - vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid - erschweren die Abstrahlung im Infraroten. Sie werfen es zu 85 % wieder zur Erdoberfläche zurück, was zu einer Erwärmung um durchschnittlich 33 °C führt.
Diese Zahlen gelten nur für die Erde als Ganzes. Lokal und regional hängen die Verhältnisse von zahlreichen Faktoren ab:
- von der Albedo der Erdoberfläche, die vom 30 %-Mittel stark abweichen kann (beispielsweise Schnee 40 bis 90 %, Wüste 20 bis 45 %, Wald 5 bis 20 %)
- vom oben erwähnten Einfallswinkel der Sonnenstrahlen und der Dauer ihrer Einwirkung
- von Bewölkung und Luftfeuchtigkeit
- vom Wärmetransport durch Wind, von Luftschichtungen usw. Theoretisch sind diese Faktoren weitgehend modellierbar, doch nicht in allen Details wie Staueffekten an Gebirgen oder unregelmäßiger Bewegung von Tiefdruckgebieten. Für gute Vorhersagen benötigt die Meteorologie außer enormen EDV-Kapazitäten auch ein weltweit dichtes Raster von Messdaten über alle Luftschichten, was in der Praxis an Grenzen stößt.

Weblinks

[http://www.sfdrs.ch/sendungen/meteo/lexikon/strbilnz.html www.sfdrs.ch] - globale Strahlungsbilanz (mit Animation) Kategorie:Solarenergie Kategorie:Meteorologie

Gleichstrom

Als Gleichstrom wird ein elektrischer Strom bezeichnet, der Betrag und Richtung nicht ändert. In der theoretischen Elektrotechnik wird nur zeitlich unverändlicher Stromfluss als Gleichstrom bezeichnet. In der Praxis werden jedoch auch Mischströme mit überwiegendem Gleichanteil als Gleichstrom bezeichnet. Dies insbesondere dann, wenn die Schwankungen (als Welligkeit bezeichnet) des Stroms für den an die Stromquelle angeschlossenen Verbraucher nicht störend sind. Die englische Bezeichnung ist "Direct Current" mit dem Kürzel "DC". In der Umgangssprache findet oftmals eine Verwechslung bzw. Gleichsetzung zwischen Gleichspannung und dem von Gleichspannungen verursachten Gleichströmen statt. Unmittelbare Gleichstromquellen sind z.B. Akkus, Batterien , Fotovoltaische Zellen (Solaranlagen) und neuerdings Brennstoffzellen mit Wasserstoffbetrieb für Strom- und Wärmeerzeugung.

Bedeutung

Technische Bedeutung hat der Gleichstrom u. a. in der Elektronik. Praktisch alle elektronischen Schaltungen benötigen zur Leistungsversorgung Gleichspannung/Gleichstrom. Vielfach werden für elektronische Geräte, die nicht mit Batterien oder Akkus mit Energie versorgt werden, Netzteile eingesetzt, um diesen Gleichstrom mittels Gleichrichter im Netzgerät zu erzeugen. Gleichstrom hat bei der Übertragung, mit der gleichen Spannung wie Wechselstrom, über große Entfernungen geringere Übertragungsverluste gegenüber Wechselstrom, weil induktive Widerstände durch Selbstinduktion nicht auftreten. In Spezialanwendungen wird er zu diesem Zweck auch genutzt in Form von sogenannten HGÜ-Leitungen für die Übertragung großer elektrischer Leistungen bei sehr hohen Spannungen über sehr große Distanzen. Für die Einspeisung bei Kraftwerken sind Gleichrichteranlagen, beim Verbraucher am anderen Ende der Übertragungsstrecke sind groß dimensionierte Hochspannungswechselrichter, die in geeigneten Gebäuden bei großen Umspann- und Schaltanlagen angeordnet sind, erforderlich (hohe Anlagenkosten). Hier wird der mittels 2 (1) Leitungsseilen übertragene Gleichstrom in 3-phasigen Drehstrom mit 50 Hz Frequenz konvertiert. Die Gleichstromübertragung über mehrere 1.000 km ist oft die einzig wirtschaftliche Lösung bei der Energieübertragung. Für Hochspannungsleitungen des 3-phasigen Drehstromnetzes bis einschließlich 750 kV wird durch Transformation von Spannung und Stromstärke mittels Transformatoren die jeweilige Spannungshöhe erreicht.

Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom

Die von Transformatoren oder Wechselstrom-Generatoren gelieferten Wechselspannungen/Wechselströme können durch Gleichrichter, dass heißt die Anordnung mehrerer Dioden, umgewandelt werden. Es entsteht elektrische Spannung/Stromfluss die im Betrag, nicht aber in der Richtung variieren Durch Parallelschalten eines Sieb-Kondensators kann die Welligkeit der Spannung verringert, dass heißt die Spannung „geglättet“ werden, sodass nur noch eine kleine Restwelligkeit bleibt. Je größer die Kapazität des Kondensators, um so geringer die Amplitude der Restwelligkeit. Der zugehörige an einen Verbraucher abgegebene Strom kann nun als Gleichstrom betrachtet werden. Insbesondere bei der Anwendung in kommunikationstechnischen Anlagen wird ein sehr kleiner Prozentssatz an Restwelligkeit gefordert, um die empfindliche Elektronik nicht negativ zu beeinflussen.

Siehe auch

- Mischstrom
- Wechselstrom
- Drehstrom
- Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
- Pulsstrom Kategorie:Elektrotechnik ja:直流 ko:직류

Photoelektrischer Effekt

Unter dem Begriff photoelektrischer Effekt oder fotoelektrischer Effekt werden vier nahe verwandte, aber unterschiedliche Phänomene in der Physik zusammengefasst: Meist bezeichnet man als photoelektrischen Effekt ungenau den Äußeren photoelektrischen Effekt, weiterhin gibt es den Inneren photoelektrischen Effekt, die Photoionisation (auch atomarer oder molekularer Photoeffekt) und den Photovoltaischen Effekt. Der Photovoltaische Effekt ist Grundlage von Solarzellen. In allen Fällen wird die Energie eines Photons auf ein Elektron übertragen. Je nach der weiteren Wirkung dieses energiereichen Elektrons unterscheidet man die vier Arten des photoelektrischen Effektes.

Äußerer photoelektrischer Effekt

Elektron Der Äußere photoelektrische Effekt, der auch Photoeffekt, Hallwachseffekt oder lichtelektrischer Effekt genannt wird, behandelt das Freisetzen elektrisch geladener Teilchen aus einem Material, wenn dieses von elektromagnetischer Strahlung (etwa Licht oder Ultraviolettstrahlung) getroffen wird. Dieser Effekt wurde 1886 von Heinrich Hertz erstmals beobachtet und von dessen Assistenten Wilhelm Hallwachs systematisch untersucht (1887 Hallwachseffekt). Unoxidierte Metalle geben im negativ aufgeladenen Zustand Elektronen ab, wenn ihre Oberfläche durch Licht bestrahlt wird. Die von den Elektronen aufgenommene kinetische Energie hängt von der Frequenz (und damit von der Farbe) des bestrahlenden Lichtes ab und nicht von dessen Intensität. Dies stand im Gegensatz zur klassischen Physik (klassische Mechanik und Elektrodynamik), die dies nicht erklären konnte, da nach allem, was man damals wusste, die Energie einer Welle von deren Amplitude und nicht von der Frequenz abhängig ist. Albert Einstein zeigte 1905, dass eine Beschreibung des Lichts durch Lichtquanten, heute Photonen genannt, den Effekt gut erklären kann. Insofern gilt der fotoelektrische Effekt als eines der Schlüsselexperimente zur Begründung der Quantenphysik, da er den Versuch aufgrund der Lichtquantenhypothese erklärte. Einstein wurde 1921 für diese Arbeit mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Schon Isaac Newton hatte Lichtteilchen angenommen. Die Vorstellung von Lichtteilchen galt im 19. Jahrhundert als überholt. Durch Interferenzexperimente und die großartige Übereinstimmung vieler Experimente mit Maxwells Elektrodynamik, die Licht als elektromagnetische Welle auffasste, war der Wellencharakter des Lichtes unbestritten. Einsteins Erklärungen des fotoelektrischen Effektes waren vor diesem Hintergrund eine mutige und gewagte Hypothese. Die Frage, ob Licht nun aus Wellen oder Teilchen bestehe, kann seitdem nicht mehr so gestellt werden. Licht zeigt sowohl Wellencharakter als auch Teilchencharakter, dieses Phänomen wurde früher als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Die Quantenelektrodynamik löst den Widerspruch allerdings auf. Quantenelektrodynamik Mikroskopisch erklärte Einstein diesen Effekt durch die Übergabe der Energie eines Photons an ein im Material gebundenes Elektron. Das Elektron muss mindestens soviel Energie erhalten, um die vom Material abhängige Austrittsarbeit zu überwinden, mit der es an das Material gebunden ist, so dass man einen Effekt beobachten kann. Einstein schlug vor, anzunehmen, dass die Energie der einfallenden Photonen von ihrer Frequenz abhängt

E = h  \cdot\  \! \! \!  f

(h ist das plancksche Wirkungsquantum). Folglich gibt es für jedes Material eine maximale Wellenlänge (bzw. eine minimale Frequenz), bei der dieser Effekt auftritt. Die maximale kinetische Energie der austretenden Elektronen wird dabei wie folgt berechnet:

E_ = h \cdot\ \! \! \! f - W_A

(Einstein-Gleichung;

W_A

ist dabei die materialabhängige Austrittsarbeit) Die herausgeschlagenen Elektronen verlassen das Material mit kinetischer Energie. Sie erzeugen eine Ladungstrennung (Spannung), die von der Lichtwellenlänge abhängt. Der daraus resultierende Strom, der Photostrom, kann nachgewiesen werden und hängt von der Intensität des einfallenden Lichtes ab. Ist das Potential zwischen Anode und Kathode so groß, dass es die energiereichsten Elektronen nicht mehr durchlaufen können, stellt sich eine konstante Spannung ein. Photozellen nutzen diesen Effekt aus. Photozelle Photozelle Im Labor wurde der Fotoeffekt bestätigt. Dabei wurde der Versuch in einem luftleeren Raum (Vakuum) durchgeführt, da sich sonst die Elektronen sofort wieder an Luftmoleküle binden würden. Da nun ein Elektronenfluss zwischen zwei Elektroden besteht, entsteht eine Spannung. Diese wird mit dem Spannungsmessgerät V erfasst. Da das Spannungsmessgerät sehr hochohmig ist, wird eine Zusatzschaltung benötigt. Dazu verwendet man ein sehr empfindliches Strommessgerät. Parallel an das Spannungsmessgerät wird eine Gleichspannung

U_0

so angelegt, dass sie gegen den enstehenden Elektronenstrom gerichtet ist. Diese Gleichspannung wird dann so abgestimmt, dass gerade kein Strom mehr fließt. Ist dies der Fall gilt:

W_ = e \cdot U_0

(wobei

W_

der kinetischen Arbeit der Elektronen entspricht). Eine Messreihe mit verschiedenen Metallen, aufgetragen in einem f-W-Diagramm, ergibt immer eine Gleichung der Form

y = mx + b

, wobei b der Austrittsarbeit der Elektronen entspricht. Die Steigung dieser Geraden ist in allen Messreihen gleich. Sie entspricht

[\frac ] = Js

. Der erste, der diese Steigung erfolgreich messen konnte, war Max Planck, nach dem diese Naturkonstante auch benannt wurde (plancksche Wirkungsquantum). Sie bekam das Formelzeichen

h

und beträgt

6,62607 \cdot 10^\,\rm

. Aus dieser Messreihe interpretierte Einstein Licht als Teilchen (Photonen), deren Energie von der Frequenz des Lichtes abhängt:

E_ = h \cdot f

. Die kinetische Arbeit der Elektronen beträgt somit die Energie der Photonen, abzüglich der Austrittsarbeit die nötig ist um die Elektronen aus ihrer Elektronenhülle zu bekommen:

W_ = E_ - W_A = h \cdot f - W_A

. Die Energie, die benötigt wird, um das Elektron aus seiner Hülle zu befördern, wird wieder (teilweise als Licht) freigegeben, wenn Elektronen den freien Platz in der Atomhülle besetzen. Dies ist der Grund, warum Metalle farblich glänzen.

Innerer photoelektrischer Effekt

Dieser Effekt wird in Festkörpern beobachtet, bei denen die Elektronen im nichtleitenden Valenzband sind und nur eine schwache elektrische Leitung möglich ist. Durch Photonen werden Elektronen in ein energetisch höher gelegenes Leitungsband gehoben, so dass das Material unter Beleuchtung besser leitet.

Photoionisation (auch atomarer oder molekularer Fotoeffekt)

Werden die Atome oder Moleküle eines Gases durch kurzwellige Strahlung eines oder mehrerer ihrer Elektronen beraubt, spricht man von Photoionisation.

Photovoltaischer Effekt

Der photovoltaische Effekt basiert auf dem inneren photoelektrischen Effekt. Zusätzlich wird ein p-n-Übergang benötigt. An dem Übergang findet eine Ladungstrennung statt. Das entstehende elektrische Spannungsgefälle kann für die Wandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie genutzt werden. Der Photovoltaische Effekt ist Grundlage von Solarzellen.

Weblinks

- [http://www.physics4you.de/jahr2000/photoeffekt Interaktiv bedienbare Darstellung des Experiments]
- http://www.walter-fendt.de/ph14d/photoeffekt.htm
- [http://www.virtualuniversity.ch/mathematik/30.html JavaApplet zur Veranschaulichung] Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Physik ja:光電効果 ko:광전 효과

P-n-Übergang

Ein p-n-Übergang ist die Übergangszone zwischen einem p-dotierten und einem n-dotierten Halbleiterkristall. Sie zeichnet sich durch ein Fehlen beweglicher Ladungsträger aus, da die positiven des p-Kristalls sich hier mit den negativen des n-Kristalls ausgeglichen (rekombiniert) haben. Da die ebenfalls vorhandenen ortsfesten Ladungen nicht rekombinieren können, herrscht innerhalb der Zone ein elektrisches Feld, welches einen Ladungstransport unterbindet. Dieses Feld kann durch eine von außen angelegte Spannung – je nach Polung – kompensiert werden, dann wird der p-n-Übergang leitfähig, oder es kann verstärkt werden, dann bleibt er gesperrt. Diese von der Polung abhängige Leitfähigkeit ist die Grundlage der Halbleiterdiode, der wichtigsten Anwendung des p-n-Übergangs. Deren Funktionsweise kann im Bändermodell erklärt werden. Im n-Kristall befinden sich bewegliche Elektronen im Leitungsband, im p-Kristall bewegliche Elektronenfehlstellen im Valenzband (siehe unten, Bild a). An der Berührungsstelle können zunächst Elektronen in den p-Kristall eindringen und sich hier die Elektronenfehlstellen auffüllen (Bild b). Die zuvor elektrisch neutralen Kristalle erhalten durch die zurück bleibenden festen Ladungen nunmehr eine Raumladung, die den p-Kristall negativ, den n-Kristall positiv auflädt. Durch die Ladungsträgerwanderung entsteht zwischen p- und n-Schicht eine elektrische Spannung. Sie wird Diffusionsspannung

U_D

genannt. Bestehen die Schichten aus Silizium beträgt die Diffusionsspannung ca. 0,6 bis 0,7 V. In der von beweglichen Ladungen freien Zone (der Sperrschicht) entsteht ein elektrisches Feld. Die Elektronen müssen nun gegen einen Potenzialwall anlaufen, um noch in den p-Kristall zu gelangen (Bild c). Der Prozess kommt zum Erliegen, wenn sich die Ferminiveaus der beiden Kristalle angeglichen haben. Aufbau einer Sperrschicht im p-n-Übergang Durch Anlegen einer äußeren Spannung in Sperrrichtung (+ am n-Kristall, − am p-Kristall) wird das Feld der Sperrschicht verstärkt und der Potenzialwall vergrößert. Elektronen bzw. Defektelektronen werden von der Sperrschicht weg gezogen, so dass diese sich verbreitert. Es fließt kein Strom. Bei Polung in Durchlassrichtung (+ am p-Kristall, − am n-Kristall) wird der Potenzialwall abgebaut. Neue Ladungsträger fließen von der äußeren Quelle auf die Sperrschicht zu und rekombinieren hier fortwährend. Es fließt Strom. Funktion einer Halbleiterdiode

Realisierung

Technisch werden p- bzw. n-dotierte Schichten über das gezielte Anreichern IV-wertiger Silizium-Kristalle mit III- bzw. V-wertigen Elementen (z. B. Gallium/Indium bzw. Arsen) erreicht. Da das umgebende Kristallgitter nur jeweils vier Elektronen festhalten kann, wird durch das Einbringen von V-wertigen Arsenatomen ein überschüssiges, frei bewegliches Elektron in den Kristallverband eingebracht. Umgekehrt wird natürlich durch das Dotieren mit III-wertigem Gallium ein Elektronenloch eingefügt.

Anwendung

Wie oben gezeigt leitet der einfache p-n-Übergang elektrischen Strom in eine Richtung sehr gut, in die Andere fast nicht. Einen solchen p-n-Übergang nennt man Diode, eine wichtige Anwendung dieser ist daher der Gleichrichter zur Umwandlung von Wechselströmen in Gleichströme. Aber auch die meisten übrigen Halbleiterbauelemente verwenden einen oder mehrere p-n-Übergänge zur Erzielung ihrer Funktion, z. B. im Bipolartransistor, Feldeffekttransistor (FET), Halbleiterdetektor usw.

Weblinks

- [http://www.mtmi.vu.lt/pfk/funkc_dariniai/diod/ Semiconductor Devices] (Englisch) Kategorie:Mikroelektronik Kategorie:Festkörperphysik

Photon

In der Physik bezeichnet man mit Photon (von Griechisch φως = Licht) die elementare Anregung (Quant) des quantisierten elektromagnetischen Felds. Es ist eines der Studienobjekte der Quantenelektrodynamik, des ältesten Teils des Standardmodells der Teilchenphysik. Anschaulich gesprochen sind Photonen die "Bausteine" elektromagnetischer Strahlung, so etwas wie "Lichtteilchen". Allerdings darf dabei nicht vergessen werden, dass alle (Elementar-) Teilchen einschließlich der Photonen auch Welleneigenschaften besitzen (siehe auch: Welle-Teilchen-Dualismus).

Geschichte

Seit der Antike gab es verschiedene, oft einander widersprechende Vorstellungen über das Wesen des Lichts. Im 19. Jahrhundert konkurrierten Wellen- und Teilchentheorien. Während viele Phänomene wie Interferenz- und Polarisationserscheinungen für eine Wellennatur des Lichts sprachen, gab es auch Indizien für einen Teilchencharakter. Ein historisch sehr wichtiges Experiment, welches auf eine Teilchennatur des Lichts hinwies, war im Jahre 1887 die Beobachtung des Photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs. Die Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung geht letztendlich auf die Erklärung der Schwarzkörperstrahlung durch Max Planck im Jahr 1900 zurück (Plancksches Strahlungsgesetz). Planck selbst stellte sich allerdings nicht die elektromagnetische Strahlung an sich quantisiert vor, sondern erklärte die Quantisierung damit, dass die Oszillatoren in den Wänden der Schwarzkörperresonatoren nur diskrete Energiemengen mit dem elektromagnetischen Feld austauschen können. Albert Einstein beschrieb 1905 in seiner Publikation zum photoelektrischen Effekt das Licht als aus Lichtquanten mit Partikeleigenschaften bestehend (für diese Arbeit übrigens – nicht etwa für seine Relativitätstheorie – wurde er 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet). Die formale Quantentheorie des Lichtes wurde erst seit 1925 beginnend mit Arbeiten von Max Born, Pascual Jordan und Werner Heisenberg entwickelt. Die bis heute gültige Theorie der elektromagnetischen Strahlung, welche auch die Lichtquanten beschreibt, die Quantenelektrodynamik (QED), geht in ihren Anfängen auf eine Arbeit von Paul Dirac im Jahr 1927 zurück, in der er die Wechselwirkung von quantisierter elektromagnetischer Strahlung mit einem Atom beschreibt. Die QED wurde in den 1940er Jahren entwickelt und 1965 mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik an Richard P. Feynman, Julian Schwinger und Shinichiro Tomonaga gewürdigt. Der Begriff "Photon" wurde 1926 durch den Chemiker Gilbert Newton Lewis geprägt, der darunter aber nicht das Lichtquant verstand. Er verwandte den Begriff im Rahmen eines von ihm vorgeschlagenen (und allgemein nicht anerkannten) Modells der Wechselwirkung von Atomen mit Licht.

Symbol

Für das Photon wird im allgemeinen das Symbol

\gamma

(gamma) verwandt. In der Hochenergiephysik ist dieses Symbol allerdings reserviert für die hochenergetischen Photonen der Gammastrahlung (Gamma-Quanten), und die in diesem Zweig der Physik ebenfalls relevanten Röntgenphotonen erhalten das Symbol X (von Englisch: X-ray).

Eigenschaften

Jegliche elektromagnetische Strahlung, von Radiowellen bis zur Gammastrahlung, ist in Photonen quantisiert. Das bedeutet, die kleinste "Menge" an elektromagnetischer Strahlung beliebiger Frequenz ist ein Photon. Photonen haben eine unendliche natürliche Lebensdauer, können aber bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt oder vernichtet werden. Photonen besitzen keine Ruhemasse, aber sie besitzen Energie. Ein freies Photon befindet sich nie in Ruhe, sondern bewegt sich mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit. In optischen Medien ist die effektive Lichtgeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie verringert. Da Photonen Energie besitzen, wechselwirken sie gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Gravitation.

Erzeugung und Detektion

Photonen können auf vierlei Arten erzeugt werden, insbesondere durch Übergänge ("Quantensprünge") von Elektronen zwischen verschiedenen Zuständen (z. B. verschiedenen Atom- oder Molekülorbitalen oder Energiebändern in einem Festkörper). Photonen können auch bei nuklearen Übergängen, Teilchen-Antiteilchen-Vernichtungsreaktionen, oder durch beliebige Fluktuationen in einem elektromagnetischen Feld erzeugt werden. Zum Nachweis von Photonenströmen können z. B. Photomultiplier, Photoleiter oder Photodioden verwendet werden. CCDs, Vidicons, PSDs, Quadrantendioden oder Fotoplatten und -filme werden zur ortsauflösenden Detektion von Photonen benutzt. Im IR-Bereich werden auch Bolometer eingesetzt. Photonen im Gammastrahlen-Bereich können durch Geigerzähler einzeln nachgewiesen werden. Photomultiplier und Avalanche-Photodioden können auch zur Einzelphotonendetektion im optischen Bereich verwendet werden, wobei Photomultiplier im Allgemeinen die niedrigere Dunkelzählrate besitzen, Avalanche-Photodioden aber noch bei niedrigeren Photonenenergien bis in den IR-Bereich einsetzbar sind.

Spin

Photonen sind Spin-1 Teilchen und somit Bosonen. Es können also beliebig viele Photonen denselben quantenmechanischen Zustand besetzen, was zum Beispiel in einem Laser realisiert wird. Photonen vermitteln die elektromagnetische Wechselwirkung: Sie sind die Teilchen, die es anderen Teilchen erlauben, miteinander elektromagnetisch wechselzuwirken. Da die elektromagnetische Wechselwirkung eine sogenannte Eichtheorie ist, zählen die Photonen zu den Eichbosonen.

Photonen im Vakuum

Im Vakuum bewegen sich Photonen mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit

c\,

= 299792458 ms^-1. Die Dispersionsrelation, d.h. die Abhängigkeit der Energie

E\,

von der Frequenz

\nu\,

(ny), ist linear, und die Proportionalitätskonstante ist das Planck'sche Wirkungsquantum

h\,

, :

E=pc=h\nu\,.

Der Impuls

p\,

eines Photons beträgt damit :

p=\frac=\frac\,.

Photonen in Medien

In einem Material wechselwirken Photonen mit dem sie umgebenden Medium, woraus sich veränderte Eigenschaften ergeben. Das Photon kann absorbiert werden, wobei seine Energie natürlich nicht verschwindet, sondern in elementare Anregungen (Quasiteilchen) des Mediums wie Phononen oder Exzitonen übergeht. Möglich ist auch, dass es sich durch ein Medium ausbreitet; zum Beispiel als gekoppeltes Phonon-Photon-Paar (Polariton). Diese elementaren Anregungen in Materie haben üblicherweise keine lineare Dispersionsrelation, und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist niedriger als die Vakuumlichtgeschwindigkeit bis hin zu nur einigen Metern pro Sekunde für spezielle Materialien.

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Photonen die auf Materie treffen lösen bei bestimmten Energien unterschiedliche Prozesse aus. Im Bereich von:
- 1 eV - 100 keV Photoeffekt,
- 100 keV - 1 MeV Compton-Effekt,
- 1,022 MeV - 6 MeV Paarbildung
- 2,18 MeV - 16 MeV Kernphotoeffekt. Diese Effekte tragen maßgeblich dazu bei, dass man diese Strahlung detektieren kann und sich bestimmte Stoffe mit bestimmten Effekten anhand der Gammaspektroskopie nachweisen lassen.

Literatur

- [http://www.osa-opn.org/abstract.cfm?URI=OPN-14-10-49 C. Roychoudhuri and R. Roy (editors) The Nature of Light, What is a Photon?, Supplement to Optics & Photonics News, Vol. 3 No. 1, October 2003, ISSN 10476938]
- Harry Paul Photonen, Januar 1999, ISBN 3519132222
- Klaus Hentschel: Einstein und die Lichtquantenhypothese. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(6), S. 311 - 319 (2005),

Weblinks

- [http://www.activeart.de/dim-shops/demo/lichtMaterie Interaktive Darstellung] von Absorption, Emission und der stimulierten Emission Kategorie:Elementarteilchen Kategorie:Quantenphysik Kategorie:Optik ja:光子 ko:광자 simple:Photon

Photodiode

Fotodioden (alt: Photodioden) sind Dioden, die Licht in einen elektrischen Strom umwandeln. Fotodioden bestehen z. B. aus Silizium- (für sichtbares Licht), Germanium- (für infrarotes Licht) oder anderen Halbleiterdetektoren. Da Licht auf den p-n-Übergang treffen muss, befindet sich dieser hinter einer transparenten Elektrode. Meistens befindet sich über dieser Anordnung zusätzlich ein lichtdurchlässiges Schutzfenster. p-n-Übergang Durch die Bestrahlung mit Licht werden bei in Sperrichtung betriebener Diode Ladungsträger freigesetzt, die zu einem Stromfluss führen. Der Fotostrom ist über viele Größenordnungen linear zum Lichteinfall. Die Reaktionszeit ist bei geeigneter Beschaltung sehr kurz; sie kann bis herab zu Bruchteilen einer Nanosekunde betragen. Auch in absoluter Dunkelheit sind Dioden durchlässig für Dunkelströme. Die Dunkelstromkennlinie ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal der Fotodiode. Fotodioden werden als Stromquelle betrieben. Sie dienen zum Nachweis von Lichtsignalen, wobei der Strom meist vorher verstärkt wird. Hierzu dient der Transimpedanzverstärker eine gängige Schaltung, um aus dem Stromsignal ein Spannungssignal zu erhalten. Wird die Stromquelle hingegen direkt dazu benutzt, elektrische Leistung umzusetzen, so wird sie als Solarzelle betrieben.

Siehe auch

- pin-Diode
- Diode
- Fotohalbleiter
- Liste elektronischer Bauteile Kategorie:Fototechnik Kategorie:Diode Kategorie:Festkörperphysik Kategorie:Optik

Energieniveau

Ein Energieniveau ist die diskrete Energie, die zu einem quantenmechanischen Zustand eines Systems (insbesondere eines Atoms) zu einer bestimmten Energie (Energieeigenzustand) gehört. Energieniveaus sind erlaubte Eigenwerte des Hamilton-Operators, sie sind deshalb zeitunabhängig. Energieaufnahme und -abgabe im System kann nur durch Wechsel in ein anderes Energieniveau erfolgen. Dies geschieht beispielsweise durch Absorption oder Emission eines Photons mit der passenden Energie. Dies führt zu diskreten Spektrallinien im Spektrum. Die Energieniveaus der Atome werden durch die Hauptquantenzahl n beschrieben. Die Energie des Zustands mit Quantenzahl n im Atom mit der Ordnungszahl Z ist näherungsweise :

E_n = -\mathrm \frac

mit der Rydberg-Energie Ry = 13,6 eV, was jedoch nur für wasserstoffähnliche Systeme gilt. Dazu kommen jedoch noch Feinstruktur- und Hyperfeinstruktur-Korrekturen und der Lamb-Shift.

Siehe auch

- Rydberg-Zustand
- Vakuumniveau Kategorie:Atomphysik

Bändermodell

Im Bänderdiagramm oder Bändermodell werden die Zustände von Elektronen in einem Kristall beschrieben. Es gibt mehrere Energiebereiche, in denen viele quantenphysikalisch mögliche Zustände existieren, die energetisch so dicht liegen, dass sie als Kontinuum - als Energieband - angesehen werden können. Bei der Betrachtung der elektronischen Eigenschaften eines Kristalls sind vor allem das Valenz- und das Leitungsband von Bedeutung. Am absoluten Nullpunkt ist das Valenzband das höchste vollständig besetzte Energieband. Das energetisch darüberliegende Band nennt man Leitungsband. Im Allgemeinen liegt zwischen beiden ein verbotener Bereich, der Bandlücke genannt wird. Das Ferminiveau gibt an, bis zu welcher Energie Zustände (am absoluten Nullpunkt, null Kelvin) besetzt sind. Kelvin Die Leitfähigkeit des Kristalls hängt zum einen davon ab, ob das Leitungsband am Nullpunkt halb besetzt oder unbesetzt ist, und zum anderen davon welche Temperatur er besitzt. Letztere bestimmt, inwieweit Elektronen aus dem Valenzband thermisch angeregt und in das Leitungsband gehoben werden können. Auf diese Weise kann ein unbesetztes Leitungsband teilbesetzt werden. Ein voll besetztes Band trägt genau wie ein unbesetztes Band nichts zum Stromtransport bei, denn die Geschwindigkeit aller Elektronen eines Bandes ist im Mittel Null. Erst ein teilbesetztes Band ermöglicht im elektrischen Feld einen von Null verschiedenen Nettostrom. In einem Metall ist das Leitungsband zur Hälfte besetzt. Es handelt sich daher um einen guten elektrischen Leiter. Eine Temperaturerhöhung führt im Allgemeinen zur Verringerung der Leitfähigkeit des Kristall, da die erhöhte Streuung der Elektronen eine niedrigere mittlere Geschwindigkeit bedingt. In Halbmetallen überlappen das Valenz- und Leitungsband nicht. Ein Isolator hat ein unbesetztes Leitungsband und eine so große Bandlücke, dass bei Raumtemperatur und auch bei deutlich höheren Temperaturen nur sehr wenige Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband thermisch angeregt werden. Der spezifische Widerstand eines solchen Kristalls ist sehr hoch. Es gibt jedoch auch Isolatoren, auf die das Bändermodell nicht anwendbar ist. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei einem Halbleiter, jedoch ist die Bandlücke hier so klein, dass sie durch thermische Energiezufuhr überwunden werden kann. Ein Elektron kann ins Leitungsband angehoben werden und ist hier beweglich. Zugleich hinterlässt es im Valenzband eine Lücke, die durch benachbarte Elektronen aufgefüllt werden kann. Somit ist im Valenzband die Lücke beweglich. Man bezeichnet sie auch als Defektelektron, Elektronenfehlstelle oder Loch (siehe Löcherleitung). Bei Raumtemperatur weist ein Halbleiter dadurch eine geringe Eigenleitfähigkeit auf, die durch Temperaturerhöhung gesteigert werden kann. Durch Dotierung kann ein Halbleiter gezielt mit Ladungsträgern ausgestattet werden. Der Halbleiterkristall beruht auf einem Kristallgitter aus 4-wertigen Atomen, die jeweils durch vier Elektronenpaare gebunden sind. Dotierung mit 5-wertigen Atomen hinterlässt im Gitter ein für die Bindung nicht erforderliches Elektron, das somit nur locker gebunden ist (Abbildung unten, Bild a). Mit nur geringer Energie kann es daher ins Leitungsband angehoben werden und ist hier beweglich (Bild b). Ein solches Atom nennt man einen Elektronen-Donator (lat. donare = geben). Der Kristall wird mit beweglichen negativen Ladungsträgern ausgestattet, man spricht von einer n-Dotierung. Zugleich bleibt ein positiver Atomrumpf im Gitter zurück. Lässt man den Hintergrund der neutralen Grundsubstanz außer Betracht (Bild c), so hat man eine positive feste und eine negative bewegliche Ladung ins Gitter eingebracht. Energetisch liegt ein Donator also knapp unterhalb des Leitungsbandes (Bild d). Dotierung mit 3-wertigen Atomen führt zu einer ungesättigten Bindung, in der ein Elektron fehlt. Dieses kann mit geringem Energieaufwand aus einer anderen Bindung gerissen werden. Ein solches Atom nennt man einen Elektronen-Akzeptor (lat. accipere = annehmen), das energetisch knapp oberhalb des Valenzbandes liegt. Es entsteht eine negative ortsfeste Ladung. Zugleich hinterlässt das Elektron im Kristall eine Lücke, die durch ein anderes Elektron aufgefüllt werden kann, also eine bewegliche Elektronenfehlstelle. Im Resultat hat man eine negative feste und eine positive bewegliche Ladung eingebracht. Man spricht dann von p-Dotierung. wertigen Eine wichtige Anwendung finden die dotierten Kristalle in der Mikroelektronik, deren Strukturen vor allem auf Halbleiterdioden beruhen. Diese werden aus einem p-n-Übergang gebildet, das heißt aus einer Kombination eines p-dotierten mit einem n-dotierten Kristall. Kategorie:Festkörperphysik

Leitungsband

Unter dem Leitungsband versteht man einen Teil eines wissenschaftlichen Modells um die Funktion von elektrischen Leitern physikalisch zu beschreiben. Befinden sich Elektronen eines Leiters im so genannten Leitungsband, so können sie sich frei bewegen, d.h. das Material ist elektrisch leitfähig. In einem Halbleiter beispielsweise gelangen Elektronen (z.B. durch Zufuhr von thermischer Energie oder Anlegen einer elektrischen Spannung) vom Valenzband durch die Bandlücke in das Leitungsband. Für die Berrechnung des Bandes im Rahmen der theoretischen Physik muß ein quantenmechanischer Ansatz gewählt werden, da es sich i.A. um die Bewegung von Elektronen in einem periodischen Potential (dass der Atome im Festkörper) handelt. Umso exakter die Rechnung werden soll, umso mehr zusätzliche Annahmen müßen gemacht werden, wie z.B. die Einbeziehung des Drehimpuls, des Spins, der relativistischen Effekte, etc. Siehe auch: Bänderdiagramm Kategorie:Festkörperphysik

Defektelektron

Als Defektelektron, Elektronenfehlstelle oder Loch wird der (virtuelle) positive bewegliche Ladungsträger in Halbleitern bezeichnet. Es entsteht unter anderem wenn man hochreine vierwertige Halbleiter (Silizium, Germanium) gezielt mit gewissen dreiwertigen Elementen (meist Bor) verunreinigt, sie also durch Diffusion oder Ionenimplantation als Fremdatome ins Kristallgitter einbaut (siehe Dotierung). Eine Leitung durch Defektelektronen kann aber auch durch Eigenleitung entstehen, das heißt das durch aufreißen einer Si-Verbindung entsteht eine Lücke. Diese Lücke kann genauso wandern ohne das durch Fremdatome ein Elektronenmangel hervorgerufen werden muß Da im Kristallgitter dann eine Stelle frei ist, können benachbarte Elektronen in dieses "Loch" hüpfen. Von außen betrachtet sieht das so aus als würde sich ein positiv geladenes Loch bewegen. Durch verschiedene Anregungsformen entstehen auch im undotierten Halbleiter Elektron-Loch Paare durch Herauslösen eines Elektrons aus seiner Bindungsstelle (entspricht dem Übergang vom Valenz- ins Leitungsband im Bändermodell). Die Erzeugung von Elektron-Loch Paaren durch optische Anregung und anschließende Trennung derselben am p-n-Übergang wird in Solarzellen ausgenutzt um Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Kategorie:Festkörperphysik, Halbleitertechnik ja:正孔

P-n-Übergang

U_D

Realisierung

Anwendung

Weblinks

- [http://www.mtmi.vu.lt/pfk/funkc_dariniai/diod/ Semiconductor Devices] (Englisch) Kategorie:Mikroelektronik Kategorie:Festkörperphysik

Dotierung

Eine Dotierung oder das Dotieren (v. lat. dotare „ausstatten“) ist in der Mikroelektronik bei der Chipherstellung das Einbringen (Implantation) von Fremdatomen in eine Schicht oder ins Grundmaterial eines elektronischen Bauteiles oder eines integrierten Schaltkreises, und zwar in sehr geringer Konzentration (Größenordnung ca. 10^-10). Dies verändert gezielt die Eigenschaften dieser Schicht, meistens die Leitfähigkeit oder die Kristallstruktur. Es gibt hierfür verschiedene Verfahren, z. B. Diffusion, Sublimation aus der Gasphase oder Beschuss mittels hochenergetischen Teilchenkanonen unter Vakuum (Ionenimplantation). Als Dotierstoffe kommen für die gängigen Halbleiterbauelemente aus Silizium oder Germanium (der vierten Hauptgruppe) für p-Gebiete die Elemente aus der dritten Hauptgruppe wie beispielsweise: Bor, Aluminium oder Gallium und für n-Gebiete die Elemente aus der fünften Hauptgruppe wie beispielsweise Phosphor, Arsen oder Antimon zum Einsatz. Der III-V-Halbleiter Galiumarsenid GaAs wird beispielsweise mit den IV-wertigen Elementen Kohlenstoff oder Silizium oder mit Gold dotiert.

p- und n-Dotierung von Silizium

Ein Siliziumeinkristall besteht aus IV-wertigen Siliziumatomen. Die vier Außenelektronen eines jeden Siliziumatoms bauen vier Atombindungen zu seinen Nachbaratomen auf und bilden dadurch die Kristallstruktur. Bei der n-Dotierung werden V-wertige Elemente, die so genannten Donatoren, in das Siliziumgitter eingebracht und substituieren dafür IV-wertige Silizium-Atome. Ein V-wertiges Element hat fünf Außenelektronen für Atombindungen zur Verfügung, sodass bei der Einbindung in den Siliziumkristall ein Außenelektron des Donators freibeweglich zur Verfügung steht. Dieses Elektron kann beim Anlegen einer Spannung Arbeit verrichten. An der Stelle des Donator-Atoms entsteht eine ortsfeste positive Ladung, der eine negative Ladung des freibeweglichen Elektrons gegenübersteht. Bei der p-Dotierung werden III-wertige Elemente, die so genannten Akzeptoren, in das Siliziumgitter eingebracht und substituieren dafür IV-wertige Silizium-Atome. Ein III-wertiges Element hat drei Außenelektronen für Atombindungen zur Verfügung. Für die vierte Atombindung im Siliziumkristall fehlt ein Außenelektron. Diese Elektronenfehlstelle wird als „Loch“ bezeichnet. Beim Anlegen einer Spannung verhält sich dieses Loch wie ein freibeweglicher positiver Ladungsträger und kann analog zum negativ geladenen Elektron Arbeit verrichten. Dabei springt ein Elektron - angetrieben durch das äußere Feld - aus einer Atombindung heraus, füllt ein Loch und hinterlässt ein neues Loch. An der Stelle des Akzeptor-Atoms entsteht eine ortsfeste negative Ladung, der eine positive Ladung des freibeweglichen Loches gegenübersteht. Die Bewegungsrichtung der Löcher verhält sich dabei entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung der Elektronen und somit in Richtung der technischen Stromrichtung. Eine genauere Beschreibung der „elektrischen Effekte“ erfolgt durch das Bändermodell.

Siehe auch

- Minoritätsladungsträger
- Majoritätsladungsträger Kategorie:Mikroelektronik Kategorie:Festkörperphysik

Donator

Als Donator (lat. donare "schenken") oder auch Donor wird eine Substanz bezeichnet, die bei Anwesenheit eines geeigneten Akzeptors Elektronen, Protonen, Atome oder Ionen abgibt.

in der Chemie

Säurebildner nach der Brønsted-Säure-Base-Theorie sind Protonendonatoren. Von diesen Molekülen wird ein H⁺-Ion (Proton) abgespalten und der konjugierten Base – dem Protonenakzeptor – aufgenommen. Bei der Definition des Säurebegriffs nach Lewis ist eine Lewis-Base ein Elektronenpaardonator und eine Lewis-Säure ein Elektronenpaarakzeptor.

in der Pränataldiagnostik

In der Pränatalmedizin wird beim fetofetalen Transfusionssyndrom bei Schwangerschaften mit monochorial-diamnioten (und somit eineiigen und immer gleichgeschlechtlichen) Zwillingen der kleinere Zwilling Donor und der größere Zwilling Akzeptor genannt. Beim Donor treten vorgeburtlich (pränatal) nicht selten Anämie und Wachstumsverzögerung auf. Nachzuweisen sind oft das Fehlen von Fruchtwasser (Anhydramie) oder eine ungewöhnliche Verminderung der Fruchtwassermenge (Oligohydramie). Kategorie:Pränatalmedizin Kategorie:Chemie

Raumladungszone

Eine Raumladungszone ist in Halbleitern ein Bereich, in dem entweder ein Über- bzw. ein Unterschuß (Mangel) von Ladungsträgern vorherrscht, sodass diese Zone nicht mehr ladungsneutral ist. Raumladungszonen ergeben sich durch Störung der räumlichen Homogenität wie an der Oberfläche des Kristalls, bei einem Metall-Halbleiter-Kontakt, einem P-n-Übergang, an Korngrenzen und bei Auftreten von Oberflächenzuständen (z.B. Oberflächenplasmonen). Kategorie:Festkörperphysik Kategorie:Mikroelektronik

Diode

Die Diode (griech.: di zwei, doppelt; hodos Weg) ist ein elektronisches Bauelement mit zwei Polen, das eine unsymmetrische und nichtlineare Kennlinie besitzt. Eine Diode ist für Strom, der in eine Richtung fließt, durchlässig und für Strom, der entgegengesetzt durch den Leiter fließt, unterhalb der Durchbruchspannung ein Isolator. Hierdurch kommt es zur Gleichrichtung des Stroms, da Strom die Diode nur in eine Richtung passieren kann. Dioden kann man also mit einem mechanischen Rückschlagventil vergleichen, da dieses auch nur Massenfluss in eine Richtung erlaubt. Der Begriff Diode wird synonym für den Begriff "ungesteuerter Gleichrichter" verwendet. Allerdings wurden die wegen technischer Nachteile veralteten Selengleichrichter nicht als Dioden bezeichnet, obwohl sie es technisch betrachtet sind.

Aufbau einer Diode

Die Grundlage der Halbleiterdiode ist ein n-p-dotierter Halbleiterkristall, dessen Leitfähigkeit abhängt von der Polung der Betriebsspannung an Anode (p-dotiert) und Kathode (n-dotiert). Der p-n-Übergang (graue Fläche) ist eine Zone, die frei ist von beweglichen Ladungsträgern, da die positiven des p-Kristalls sich hier mit den negativen des n-Kristalls ausgeglichen (rekombiniert) haben. Da die ebenfalls vorhandenen ortsfesten Ladungen nicht rekombinieren können, herrscht innerhalb der Zone ein elektrisches Feld, welches einen Ladungstransport unterbindet. Dieses Feld kann durch eine von außen angelegte Spannung - je nach Polung - kompensiert werden, dann wird der p-n-Übergang leitfähig, oder es kann verstärkt werden, dann bleibt er gesperrt. Bild:Pn-Diode Aufbau.png|pn-Diode Bild:Schottky-Diode Aufbau.png|Schottky-Diode

Formeln

Im folgenden werden die wichtigsten Formeln zur Beschreibung der Funktion von Dioden beschrieben. Es werden hierfür die folgenden Formelzeichen verwendet:
- Spannung an Diode in Durchlassrichtung:

U_D

- Strom durch Diode in Durchlassrichtung:

I_D

- Sättigungssperrstrom:

I_S

- Diffusionsstrom:

I_

- Leckstrom:

I_

- Leck-Sättigungssperrstrom:

I_

- Durchbruchstrom:

I_

- Emissionskoeffizient:

n

- Temperaturspannung:

U_T

- Bahnwiderstand:

R_B

- Differenzieller Widerstand:

r_D

- Arbeitspunkt:

A

oder

AP

- Diodenkapazität:

C_D

- Sperrschichtkapazität:

C_S

- Diffusionskapazität:

C_

Zusätzlich sind die folgenden Naturkonstanten wichtig:
- Boltzmannkonstante:

k

- Elementarladung:

q

- Bandabstandsspannung (Gap voltage):

U_G

Statisches Verhalten

ideale Diode

Die Shockley Formel (benannt nach William Bradford Shockley) beschreibt die Kennlinie der idealen Diode. Sie gilt bei U_D ≥ 0, wird gelegentlich aber auch zur Beschreibung für die Kennlinie bei U_D < 0 (Durchbruchsbereich) verwendet. Durchbruchsbereich

I_D = I_S(e^-1)

Sättigungssperrstrom:

I_S \approx

Emissionskoeffizient:

n \approx 1 \dots 2

Temperaturspannung:

U_T =  \approx

bei Raumtemperatur Wenn man die resultierende Kennlinie betrachtet, nimmt der Strom durch die Diode I_D<