Fach: Physik; Teilgebiet: Halbleiter; Thema: Solarzelle; Problem: Verständnis

Also wandern bzw. diffundieren die Löcher sowie die Elektronen grob gesagt hin und her? Hast Du nicht gesagt, dass nahe an der Grenzschicht eine ladungsträgerfreie Raumladungszone entsteht? Das kann ich mir aber nicht vorstellen, da sich durch die wechselseitige Beziehung alle Elektronen bzw. Löcher besetzt sein müssen. Also das die Elektronen von der n-Schicht in die p-Schicht gelangen und dort alle Löcher besetzen während sich an der n-Schicht positive Ladung gebildet hat und der Feldstrom bzw. Diffusionsstrom dafür sorgt, das diese Wechselseitige Beziehung weiterhin erhalten bleibt.

LG
aXYZn

Keine Antworten dazu? Dann muss meine Behauptung bzw. Zusammenfassung stimmen.

Grüße
agi

Gregor

aXYZn schrieb:

Keine Antworten dazu? Dann muss meine Behauptung bzw. Zusammenfassung stimmen.

Ich denke noch darüber nach, wie ich Deine Frage am Besten beantworten kann. Vielleicht sagt ruediger morgen etwas dazu. Dann hat er wieder etwas mehr Zeit.

Generell ist es natürlich so, dass man mehrere Möglichkeiten hat, so ein System zu beschreiben. Und ich bin mir momentan nicht so ganz sicher, ob ich da nicht vielleicht zwei Varianten miteinander vermischt habe, die besser nicht vermischt werden sollten. Darüber muss ich mir echt Gedanken machen und deswegen wird es ein bischen dauern.

Gregor

aXYZn schrieb:

Also wandern bzw. diffundieren die Löcher sowie die Elektronen grob gesagt hin und her? Hast Du nicht gesagt, dass nahe an der Grenzschicht eine ladungsträgerfreie Raumladungszone entsteht? Das kann ich mir aber nicht vorstellen, da sich durch die wechselseitige Beziehung alle Elektronen bzw. Löcher besetzt sein müssen. Also das die Elektronen von der n-Schicht in die p-Schicht gelangen und dort alle Löcher besetzen während sich an der n-Schicht positive Ladung gebildet hat und der Feldstrom bzw. Diffusionsstrom dafür sorgt, das diese Wechselseitige Beziehung weiterhin erhalten bleibt.

Ok, ich probier mal, das zu beantworten. Also...

1. Diffusionsstrom und Driftstrom (der Strom, der vom E-Feld verursacht wird) finden nicht in dem Sinne gleichzeitig statt, sondern sind zwei Aspekte des Gesamtstroms, der in der pn-Junction fließt. Dieser Gesamtstrom ist im Gleichgewicht erstmal null. Ich schreib das mal als Formel auf.

Für die Elektronen:

$I\_n = 0 = -e\mu\_n \left( nE + \frac{kT}{-e}\frac{dn}{dx} \right)$

Und für die Löcher:

$I\_p = 0 = e\mu\_p \left( pE + \frac{kT}{e}\frac{dp}{dx} \right)$

Die µ sind hierbei die Mobilitäten, e ist die Elementarladung, k die Boltzmannkonstante, T die Temperatur und n und p die Konzentrationen der Elektronen und Löcher. Der Driftstrom hängt also von der Ladungsträgerkonzentration, der Mobilität der Ladungsträger und dem E-Feld ab, während der Diffusionsstrom vor allem von der örtlichen Änderung der jeweiligen Ladungsträgerkonzentration abhängt. Der Strom durch die Löcher und der Strom für die Elektronen ist hier also erstmal völlig unabhängig voneinander.

Das wichtige hier ist, dass insgesamt gar kein Strom fließt, da sich die Terme, die den Strom verursachen, die Waage halten. Wenn die beiden Halbleiter in Kontakt kommen, dann fließt aber erstmal ein Strom, bis die örtliche Änderung der Ladungsträgerkonzentrationen und das E-Feld Werte erreicht haben, die zu einem Gleichgewicht führen. Wenn dieses Gleichgewicht erreicht ist, dann haben wir Raumladungszonen auf beiden Seiten des Übergangs. Wie schon erwähnt, ist dann im p-Halbleiter eine negativ geladene Schicht und im n-Halbleiter eine positiv geladene Schicht.

So, jetzt hast Du nach der Verarmungszone gefragt. Mein Ansatz, die zu erklären, wäre folgender: Wie schon erwähnt, zieht sich, wenn man die beiden Halbleiter in Kontakt bringt, erstmal nichts an. Beide Seiten des Halbleiters sind Ladungsneutral. Das ändert sich aber dadurch, dass ein Gleichgewicht eingestellt werden muss. Jetzt haben wir die Raumladungszonen auf beiden Seiten des Übergangs. Schauen wir uns diese Raumladungszonen mal separat von einander an: In beiden Raumladungszonen haben wir einen Überschuss an Minoritätsladungsträgern. Das sind die Ladungsträger, die im jeweiligen Halbleiter nicht für den Transport verantwortlich sind. Innerhalb der Raumladungszone ist es dadurch dann tatsächlich so, dass sich Elektronen und Löcher anziehen und letztendlich rekombinieren. Durch diese Rekombination stehen sie dann nicht mehr zum Transport zur Verfügung, aber natürlich sind sie noch vorhanden, was die jeweilige Ladungsträgerkonzentration betrifft. Sie sind also weiterhin an den Termen bezüglich des Gesamtstroms beteiligt. Sowohl am Driftterm durch das verursachte E-Feld, als auch am Diffusionsterm durch die Ladungsträgerkonzentration ansich.

So. Ich muss dazu sagen, dass ich mit dieser Erklärung selbst alles andere als zufrieden bin. Möglicherweise ist sie auch nicht ganz richtig. Aber vielleicht kann das ja jemand anders noch etwas genauer formulieren.

Morgen Gregor!

Wie gesagt mein Physikwissen entspricht dem Realschulniveau oder Sekundarstufe I (BW) und das Bändermodel ist für mich was total neues.
So viel wollte ich und muss ich eigentlich nicht Wissen, aber ja es trägt zum besseren Verständnis der Materie bei.
Ich habe mir das mit dem Semiconductor's und Britney Spears mal durchgelesen und schreibe nun nochmal eine Zusammenfassung (hoffentlich richtig):

Wie ich mir das jetzt vorstelle? Man nehme Silizium als Halbleitermaterial, dotiert es mit Fremdatomen wie dem 3-wertigen Al und 5-wertigen P. Wenn man das Material mit Al dotiert ensteht eine positive Schicht, da nun ein Elektron fehlt stört es das Gleichgewicht des eigentlichen Halbleitermaterials, weil es mehr Löcher als Elektronen gibt. Das selbe bei der N-Dotierung, da P 5 Außenelektronen besitzt überwiegen nun freie Elektronen, das Gleichgewicht wird ebenfalls gestört. Trotzdem bleiben beide dotierten Materialien von außen gesehen elektrisch Neutral, da es genau so viele Elektronen wie Protonen gibt.
Setzt man die P- sowie die N-Schicht zusammen, wird erstmal nichts angezogen, wie Du schon mehrmals gesagt hattest. Wobei irgendeine Anziehungskraft existieren muss, damit überhaupt die Elektronen rekombinieren, aber das ist ja nicht möglich wie Du gesagt hast, da die dotierten Materialien von außen gesehen neutrale Ladungen besitzen. Aber warum bewegen sich dann die Elektronen in die jeweils entsprechende Zone? Ich nimms jetzt mal als gegeben hin und fahre mit meiner Zusammenfassung fort. Also die Löcher und Elektronen bewegen sich nach dem Zusammensetzen der dotierten Halbleitermaterialien (n und p) in Richtung den entsprechenden Schichten. Also die Löcher zur n-Schicht und die Elektronen zur p-Schicht. Es häufen sich wie Du sagtest in der p-Zone Elektronen an und in der n-Zone entsprechend Löcher (diffundieren). Man kann es wie Du ebenfalls sagtest als ein Kondensator vorstellen, das bewirkt eine Feldkraft, so dass die Elektronen wieder in die n-Schicht gelangen und die Löcher wieder in die p-Schicht. Und es bewirkt ebenfalls nochmal eine Feldkraft usw. und diese Feldkraft ist nicht von außen abzapfbar!
Also ein ständiges Hin und Her zwischen Ladungen. Wird nun die Diode in einem Stromkreis angeschlossen und eine mindestspannung erreicht, so werden in der N-Schicht die Elektronen angestoßen und gelangen zur Grenzschicht und diffundieren in die p-schicht ein und gelangen über den äußeren Stromfluss wieder in die N-Schicht. Die Löcher wandern in Richtung Minuspol und rekombinieren. Und ganz wichtig die Löcher können nicht in den äußeren Stromkreis gelangen sie warten lediglich nahe am Minus-Pol auf Elektronen zum rekombinieren. Das Elektron rekombiniert solange bis er den "Plus-Pol-Ausgang" erreicht hat und dort in den äußeren Stromkreis gelangt.

So ungefähr...

PS: Ich brauche es heute, denn ich muss eine Dokumentation dazu anfertigen. Und ich habe immer noch nicht ganz verstanden, wie es genau funzt.

Grüße
agi

Gregor

Hi. Ist mir schon klar, dass ich Dich momentan mit allerlei Konzepten zuballer, die Du noch nicht kennst. Du solltest Deine Arbeit auch nicht unbedingt auf meinen Äußerungen hier aufbauen, sondern das, was ich hier sage, eher als Zusatzinformation sehen, damit sich für Dich vielleicht ein geschlossenes Gesamtbild ergibt. Das ist allerdings schwer, gebe ich zu. Ich hoffe, ich verwirre Dich nicht mehr, als dass ich Dein Bild etwas vervollständige.

Ich möchte einen wichtigen Punkt nochmal explizit erwähnen, der hier noch nicht angesprochen wurde. Und zwar die Frage, was Löcher sind. Löcher sind letztendlich eine Modellvorstellung, die es in der Realität gar nicht gibt. Ein Atom hat keine Löcher in seiner Hülle, sondern nur Elektronen. In Siliziumkristallen ist es nun so, dass die Elektronen in der äußeren Schale der Siliziumatome für die Bindungsmechanismen im Kristall verantwortlich sind. Die sind dann zwischen den einzelnen Atomen lokalisiert und halten den Kristall zusammen. Wenn Du genau wissen willst, wie das funktioniert, musst Du eine quantenmechanische Beschreibung Deines Kristalls betrachten, aber das würde hier wohl zu weit führen. Zumindest gehört zu jedem Elektron in der äußeren Schale eines Silizium-Atoms eine Bindung zu einem anderen Atom. Wenn Du jetzt in so einen Kristall ein Atom mit nur 3 Elektronen an einen Gitterplatz setzt, dann heißt das, dass eine der Bindungen nicht "besetzt" ist. In dem Zusammenhang redet man von Löchern. Das sind nicht-besetzte bindende Zustände im Siliziumkristall. Es ist jetzt so, dass ein Elektron aus einer benachbarten Bindung diesen Zustand besetzen kann. So kann ein Loch wandern: Indem immer ein Elektron eine freie Bindung besetzt und selbst ein Loch in seiner alten Bindung zurücklässt. Rekombination heißt in dem Fall dann, dass ein frei bewegliches Elektron, das also nicht zur Bindung im Kristall beiträgt, in so einen freien, bindenden Zustand übergeht. Also wie gesagt: Es ist ein wichtiger Punkt, dass Löcher nur eine Modellvorstellung sind.

So, ich werde später noch ein bischen mehr zu den anderen Punkten schreiben.

Gregor schrieb:

So, ich werde später noch ein bischen mehr zu den anderen Punkten schreiben.

Solange schreibe ich die Dokummente über die Funktionsweise der PEM-Brennstoffzele und des PEM-Elektrolyseurs (die habe ich nähmlich gut verstanden). Damit ich die schon mal habe.
Das mit der Solarzelle sollte heute glaub ich ma irgendwie hinhauen. Wenn nicht, bin ich dran

Ich habe nähmlich FüK, fächerübergreifende Kompetenzprüfung über die Brennstoffzelle.
Wenn ich die Solarzelle nicht verstehe, dann oO

Grüße
agi

Prinzip einer Elektrolyse schrieb:

Prinzip einer Elektrolyse

Die Elektrolyse ist ein Verfahren indem eine chemische Verbindung mit Hilfe des elektrischen Stromes aufgespalten wird. Das Prinzip wird anhand von Beispielen verdeutlicht:

Beispiel Kupfer(II)chloird:

Destilliertes Wasser leitet den elektrischen Strom nicht, da es extrem wenige Ionen enthält.
Wird nun Kupfer(II)chlorid in Wasser gegeben, so wird das Ionengitter des Salzes durch die Dipolwirkung von Wasser in seine Bestandteile zerlegt:

CuCl_2 rightarrow Cu^"2+" + 2Cl^"-"

Diesen Vorgang nennt man Dissoziation. Legt man nun eine bestimmte Spannung an, so wandert das Kupfer-Kation zur Kathode und das Chlorid-Anion zur Anode:

Cu^"2+" + 2e^"-" rightarrow Cu (Kathodenreaktion oder Reduktion)

2Cl^"-" rightarrow Cl_2 + 2e^"-"(Anodenreaktion oder Oxidation)

Dabei enstehen elementares Kupfer und molekulares Chlor.

Beispiel mit Schwefelsäure als Elektrolyt:

Wie bereits erwähnt leitet destilliertes Wasser den elektrischen Strom nicht, da es extrem wenige Ionen enthält. Mit Schwefelsäure als Elektrolyt kann das destillierte Wasser leitfähiger gemacht werden, die Lösung wird dadurch saurer:

H_2 SO_4 + H_2 O rightarrow HSO^"-"_4 + H_3 O^"+"

HSO^"-"_4 + H_2 O rightarrow SO^"-2"_4 + H_3 O^"+"

Hierbei handelt es sich um eine Säure-Base-Reaktion indem jeweils ein Proton dem Reaktionspartner Wasser (Base) übergeben wird, bis schließlich ein einzelnes Säurerest-Ion übrig bleibt. Wird nun eine Spannung angelegt, so wandert das Hydronium-Ion zur Kathode und entlädt sich:

2H_3 O^"+" + 2e^"-" rightarrow H_2 + 2H_2 O

Die Hydroxid-Ionen welche durch die Autoprotolyse (spontane Protonenabgabe bzw. Protonenaufnahme unter Wassermolekülen) des Wassers entstanden sind, reagieren entsprechend an der Anode:

4OH^"-" rightarrow O_2 + 2H_2 O + 4e^"-"

Es entstehen dabei Sauerstoff und Wasserstoff im molekularen Zustand.

Prinzip einer Brennstoffzelle schrieb:

Prinzip einer PEM-Brennstoffzelle

Die Bauweise einer PEM-Brennstoffzelle (Gasbatterie) unterscheidet sich im Prinzip kaum von der des PEM-Elektrolyseurs.
Der wesentliche Unterschied ist, dass der Prozess beim Elektrolyseur in umgekehrter Richtung abläuft.
Der Wasserstoff gelangt in den Anodenraum der PEM-Brennstoffzelle und der Sauerstoff entsprechend in den Kathodenraum. Der Wasserstoff wird durch die katalytische Wirkung von Platin zersetzt und wandert als Proton in die protonendurchlässige Polymermembran ein (es diffundiert).
Seine Elektronen dagegen steigen an der Anode auf, da ihnen der Zutritt zur protonendurchlässigen Polymermembran verwehrt bleibt:

2H_2 rightarrow 4H^"+" + 4e^"-"

Im Kathodenraum nimmt Wasser seine vor kurzem abgegebenen Elektronen wieder auf und reagiert mit Sauerstoff wieder zu Wasser.

O_2 + 4H^"+" + 4e^"-" rightarrow 2H_2 O

Diesen Vorgang kann man als die Umkehrung der Elektrolyse bezeichnen.
Also elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt (Elektrolyseur) und chemische Energie wird wieder in elektrische Energie umgewandelt (Brennstoffzelle).

Prinzip eines PEM-Elektrolyseurs schrieb:

Prinzip eines PEM-Elektrolyseurs

Reines Wasser leitet den elektrischen Strom nicht, da es zu wenige Ionen enthält.
Abhilfe schafft da entweder ein Elektrolyt wie Schwefelsäure (H_2 SO_4
) oder eben ein PEM-Elektrolyseur. Das Material PEM besteht dabei aus einer protonendurchlässigen Polymermembran (proton-exchange-membran), in der die Wasserstoff-Protonen (daher der Name >>proton-exchange-membran<<) hindurch wandern also diffundieren (eindringen).

Im Grunde macht ein PEM-Elektrolyseur dasselbe wie bei einer “normalen“ Elektrolyse, eben die Aufspaltung einer chemischen Verbindung mit Hilfe des elektrischen Stromes.
Das Wasser wird aufgrund der katalytischen Wirkung von Platin an der Anodenseite zersetzt:

2H_2 O rightarrow O_2 + 4H^"+" + 4e^"-"

Das dadurch entstandene Wasserstoff-Proton dringt in die Polymermembran ein (diffunddiert) und nimmt an der Kathodenseite, die kürzlich an der Anode abgegebenen Elektronen wieder auf:

4H^"+" + 4e^"-" rightarrow 2H_2

Durch diesen Vorgang ensteht molekulares Sauerstoff und Wasserstoff.

Also, die Grundlagen sowie die Messergebnisse habe ich bereits mir fehlt nur noch eins zur Solarzelle. Dann wär ich fertig.

Von der Solarzelle habe ich nur die I-U-Kennlinie und das Leistungsdiagramm ermittelt aber nicht wie es Funktioniert.

Grüße
agi

Apropos U-I-Kennlinie der Solarzelle bzw. des Solarmoduls. Die Messergebnisse bei mir zeigen, dass die Spannung abnimmt, wenn die Stromstärke steigt.

Wie ist das zu Erklären? Wenn das gegenteil der Fall wäre, dann würde doch die Stromstärke abnehmen und die Spannung steigen, da die Elektronen auf ihrem Weg mit anderen Atomen zusammenstoßen und diese dann nur verzögert ihr Ziel ereichen. Oder?

Wie ist das beim andren zu erklären?

Gregor

aXYZn schrieb:

Wenn ich die Solarzelle nicht verstehe, dann oO

Stütz Dich da bitte nicht zu sehr auf das, was ich Dir in diesem Thread erzähle und noch erzählen werde. Letztendlich musst Du Dich vorbereiten, also nutz, was auch immer Du zu dem Bereich finden kannst. Wikipedia hat in dem Bereich zum Beispiel sicherlich jede Menge zu bieten. Auch Britney Spear's Guide to Semiconductor Physics ist eine super Quelle. Und es gibt auch noch diverse andere. Bücher nenn ich Dir hier mal nicht, an die kommst Du vermutlich nicht so schnell heran.

Du weißt übrigens durchaus in etwa, wie so ein pn-Übergang funktioniert. Das wusstest Du auch schon am Anfang. Und was ich Dir hier erzähle ist vielleicht eine Sichtweise, mit der Deine Lehrer überhaupt nichts anfangen können. Weil sie die selbst nie mitbekommen haben. Also sei mal nicht so pessimistisch.