Photoeffekt, Photodiode und Solarzelle

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Photoeffekt, Photodiode und Solarzelle

• von Michael Krüger

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Inhalt

1. Geschichte
2. Photoeffekt
3. Photodiode
4. Solarzelle
5. Heutige Nutzung von Solarenergie

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1. Geschichte

• 1836 Enddeckung des Photoeffektes durch Becquerel
• Stromfluss zwischen verdunkelter und belichteter
  Seite einer chem. Lösung in denen zwei Elektroden
  eingetaucht waren
• konnte es jedoch noch nicht erklären
• 1891 erstes Patent für Solaranlage (Clarence Kemp
  aus Baltimore - Wärmekollektor für Warmwasser)

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• 1904 erste Erklärungen des Photoeffektes
  (Lichtstrahlen lösen Elektronen aus einigen
  Metallen) von Philipp Lenard, der jedoch nicht
  wusste warum und bei welchen Metallen dies
  geschieht ? Physiknobelpreis 1905
• 1921 erhielt Einstein für seine Arbeit zur
  Photovoltaik den Physiknobelpreis
• 1949 Entdeckung des pn-Überganges (und d.
  Transistoreffektes) durch William Shockley,
  Walther H. Brattain und John Bardeen

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• 1954 erste Solarzelle in den Laboratorien der
  amerikanischen Firma Bell gebaut (Wirkungsgrad
  von 4 - 6 - glücklicher Zufall bei Versuchen
  mit Gleichrichter auf Siliziumbasis unter
  Sonnenbestrahlung)
• 1958 Tests mit Solarzellen auf Satteliten
  (günstig, da kein Tag-Nacht-Rhythmus und keine
  Verluste durch Erdatmosphäre oder Wolkendecke)
• Industrie versucht Wirkungsgradsteigerung (heute
  erhältlich Zellen mit ca. 17, im Labor sogar
  bis ca. 30 max. theoretischer Wirkungsgrad)

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2. Photoeffekt

• Zusammenfassung verschiedener Effekte
• äußerer photoelektrischer Effekt
• 1887 von Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs
  beobachtet
• manche unoxidierte Metalle geben im aufgeladenen
  Zustand Elektronen ab, wenn ihre Oberfläche durch
  Licht bestrahlt wird
• kinetische Energie der Elektronen hängt von
  Wellenlänge des Lichtes ab, nicht von Lichtstärke

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• herausgeschlagene Elektronen erzeugen
  Ladungstrennung (Spannung), die von Wellenlänge
  abhängt
• innerer photoelektrischer Effekt
• beobachtbar in Festkörpern bei denen die
  Elektronen im nicht leitenden Valenzband sind ?
  schwache elektrische Leitung
• Photonen heben Elektronen in energetisch höher
  gelegene Leitungsband ? bessere Leitung unter
  Beleuchtung

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• photovoltaischer Effekt
• basiert auf innerem photoelektrischen Effekt
• an einem zusätzlichen pn-Übergang findet
  Ladungstrennung statt
• Wandlung von Solarenergie in elektrische Energie

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3. Photodiode

• Funktion
• Halbleiter, der in Sperrrichtung betrieben wird
• Licht fällt auf pn-Übergang ? innerer Photoeffekt
• Abbau der Sperrschicht ? Widerstand sinkt
• Stromstärke steigt (fast) linear mit
  Beleuchtungsstärke

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(No Transcript)
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• Aufbau
• dotiertes Germanium oder Silber
• sehr dünne, von Licht durchscheinbare
  Halbleiterschicht
• meist in lichtundurchlässigen Gehäusen mit
  kleiner Öffnung und evtl. Linse zur Bündelung
• lichtempfindliche Schicht ca. 1mm²

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(No Transcript)
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• Eigenschaften
• geringer Dunkelstrom (hochohmig)
• geringere Strombelastung gegenüber Widerstand ?
  keine direkte Ansteuerung von Relais
• Verlustleistung 20-100mW
• geringe Temperaturabhängigkeit
• erkennbare Wechselvorgänge bis 100 kHz

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• Anwendung
• Infrarotfernbedienung
• Lichtschranken (in Verbindung mit LED)
• Lichtmessung

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4. Solarzelle

• Aufbau und Funktion
• Aufbau wie Halbleiterdiode
• über 95 bestehen aus Silizium (zweithäufigstes
  Element)
• p-Schicht liegt an Oberfläche und ist sehr dünn,
  so dass Sonnenlicht bis in pn-Übergang gelangt
• Elektronen werden aus Halbleitermaterial
  herausgelöst und wandern im elektrischen Feld der
  Grenzschicht in die n-Schicht

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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• Entstehung einer Spannungsquelle durch diese
  Ladungstrennung
• bei ausreichendem Lichteinfall kann ein Strom von
  ca. 20 mA fließen, ohne dass die Spannung von
  etwa 0,5 Volt einbricht
• Lichtenergie ? Gleichstrom unter Nutzung des
  photovoltaischen Effektes
• zur Einspeisung benötigt man Wechselrichter

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• Eigenschaften
• Abgreifbare Spannung abhängig vom
  Halbleitermaterial (ca. 0,5V bei Silizium)
• Klemmspannung nur schwach von Beleuchtungsstärke
  abhängig
• Stromstärke steigt mit zunehmender Beleuchtung
  (ca. 2A bei 100cm² großer Siliziumzelle und max.
  Bestrahlung von 1000W/m²)

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(No Transcript)
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• Leistung ist temperaturabhängig (geringerer
  Wirkungsgrad bei hohen Temperaturen)
• positive Energiebilanz (Herstellungskosten nach
  ca. 1,5 Jahren getilgt)

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• verschiedene Zelltypen
• Unterscheidung monokristallines, polykristallines
  und amorphes Silizium
• monokristallines Silizium hochreiner
  Einkristall in Scheiben geschnitten ? hoher
  Wirkungsgrad, teuer!
• kostengünstiger polykristalline Zellen (flüssiges
  Silizium in Blöcke gegossen und anschließend in
  Scheiben geschnitten ? Defekte an den Rändern ?
  geringer Wirkungsgrad)

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• auf Glas oder anderes Substratmaterial
  aufgedampfte Schicht erzeugt Dünnschichtzellen
  oder amorphe Zellen
• Schichtdicken weniger als 1 µm ? geringere
  Produktionskosten
• sehr geringe Wirkungsgrade, Anwendung im
  Kleinleistungsbereich (Uhren, Taschenrechner)

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(No Transcript)
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• von der Zelle zum Modul
• Bereitstellung von geeigneten Spannungen bzw.
  Leistungen durch Verschaltung von einzelnen
  Solarzellen zu größeren Einheiten
• typische Nennleistungen zwischen 10 und 100 Watt

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• natürliche Grenzen beim Wirkungsgrad
• bestimmter Anteil der Strahlungsenergie kann
  nicht genutzt werden, da Photonen nicht
  energiereich genug
• Photonenüberschussenergie in Wärme umgewandelt
• optische Verluste Abschattung durch Kontakte,
  Reflexion einfallender Strahlung an Zelloberfläche

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• elektrische Widerstandsverluste im Halbleiter und
  den Anschlussleitungen
• Materialverunreinigungen oder Kristalldefekte
• nicht alle Verluste können optimiert werden ?
  theoretisch höchster Wirkungsgrad bei etwa 28
• Optimierungen Oberflächenstrukturierung zur
  Vermeidung von Reflexionen, Tandem- o.
  Stapelzellen, Konzentratorzellen (Bündelung mit
  Linsen), Grätzel-Zelle (Absorptionserhöhung durch
  elektro-chem. Flüssigkeiten)

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• Anwendung
• viel versprechend, jedoch heute eher Kraftwerke
  mit solarer Wassererwärmung

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5. Heutige Nutzung von Solarenergie
(Parabolrinnen und Solarturmkraftwerke)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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The End