Wie funktioniert eine Solarzelle / Photovoltaik technisch physikalische Erklärung

Erklärbeitrag zum photoelektrischen Effekt. Wie funktioniert eine Solarzelle / Photovoltaik scientific explanation Prägnant erklärt in unter 10 Minuten, als Podcast, YouTube Video oder Blogbeitrag: https://youtu.be/D_mPgi3jI2Y https://sophiasweisheiten.blogspot.com/2022/05/wie-funktioniert-eine-solarzelle.html Inhaltsangabe: 00:00 Intro 00:06 Energieerzeugung Ziel: Ladungsträger müssen bewegt und voneinander getrennt werden. 00:20 Ladungsträger In der Halbleiterphysik sind Ladungsträger Elektronen | electrons Defektelektronen (auch „Loch“ genannt) | electron hole Freie Elektronen Freie Elektronen verspüren keine Wechselwirkung äußerer Potentiale und sind nicht gebunden Gebundene Elektronen findet man in Atomen Ionisierungsenergie | ionization energy: nötige Energie für Elektronenauslösung aus der äußersten Schale Elektronenaffinität | electron affinity: Energie, die frei wird, wenn ein neutrales Atom ein freies Elektron aufnimmt Die Stärke der Bindung der Valenzelektronen wird auch Bandabstand | bandgap genannt (Einheit [eV]) Wenn man ein zunächst gebundenes Elektron auslöst, entsteht dadurch ein sogenanntes Elektron-Loch-Paar Generation ⇔ Rekombination Thermodynamisches Gleichgewicht: Generation=Rekombination 01:19 Leiter / Halbleiter / Isolatoren 01:48 Halbleitermaterialien Im Grundzustand fast keine freien Ladungsträger verfügbar Bei Silizium sind alle vier Valenzelektronen in kovalenten Bindungen mit vier benachbarten Atomen in Elektronenpaarbindungen verbunden (Bindungsbildung durch Überlagerung von Atomorbitalen) Zeitweises Herauslösen von Elektronen (Generation von freien Ladungsträgern) möglich durch: Wärme (thermische Energie) | Glühemission | thermionic emission Ausreichend elektrische Spannung (anlegen eines elektrischen Feldes)| Feldemission | field emission 02:25 Photoemission Bestrahlung mit Licht mit ausreichender Frequenz| Fotoemission | photoemission Bewegung von Ladungsträgern durch Diffusion und Drift Der Photoelektrische Effekt Photoemission Wandlung der Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie Modell: Lichtquanten / Photonen (wissenschaftlich erklärt durch Albert Einstein 1905) ℎ∙𝑓≥∆𝑊_𝐴 𝑐="λ"∙𝑓 Elektronen im vollen Valenzband können nicht zur Leitung beitragen Im energetischen Abstand Wg oberhalb des Valenzbandes befindet sich die Kante des Leitungsbandes. Ab der Bandlückenenergie steigt die Leitfähigkeit deutlich an. Elektronen, die sich frei im Gitter bewegen sollen, müssen mindestens die Energie des Leitungsbandes haben 03:20 Halbleiter Dotierung 04:23 Diffusion und Drift 05:06 stromloser p-n-Übergang Eine Solarzelle besteht aus einem Halbleitermaterial mit unterschiedlich dotierten Schichten (einem p-n-Übergang) Entlang der Raumladungszone baut sich ein elektrisches Feld und eine interne Spannung auf Der zunächst halbwegs reines Halbleitermaterial wird durch gezielte Verunreinigung mit Fremdatomen benachbarter Wertigkeiten dotiert 06:39 p-n-Übergang mit Photoemission Zusätzliche Bestrahlung mit Licht genügend großer Frequenz Zusätzliche Elektronen werden von ihren Atomen getrennt durch Photoemission Die freigesetzten Elektronen werden von der positiv geladenen Halbleiterschicht (dem Silizium-Phosphor n-Gebiet) angezogen 08:06 Solarzelle | Kennlinien Die Höhe des Solarzellenstromes hängt von der eingestrahlten Leistung ab Ohne Last oder im „open circuit“ gibt es eine Leerlaufspannung Unter Volllast oder Kurzschluss bricht die Spannung ein und der Strom nähert sich dem maximalen Sättigungsstrom an, der von der spezifischen Bestrahlungsleistung abhängt Vorteilhaft: Hohe Einstrahlleistung und niedrige Temperatur 09:34 Outro Musik: C Major Prelude von Bach aus der YouTube Audio Lib Beitrag researched, animated in Power Point Slides and edited by Sophia Transistor Support me / Hutgeld / Kaffeekasse: https://ko-fi.com/sophiatransistor Linktree: https://linktr.ee/sophiatransistor