4.2 Halbleiter-Dioden und -Solarzellen

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1 4.2 Halbleiter-Dioden und -Solarzellen Vorausgesetzt werden Kenntnisse über: Grundbegriffe der Halbleiterphysik, pn-übergang, Raumladungszone, Sperrschichtkapazität, Gleichrichterkennlinie, Aufbau und Funktion von Halbleiter-Dioden und -Solarzellen, Ersatzschaltbilder dieser Bauteile. Literatur. Kittel: Introduction to Solid State Physics, 4 th ed., 1971, p. 360 ff, p. 386 ff; deutsch: 5./6. Aufl., 1983, S. 250 ff, S. 263 ff (allgemeine Grundlagen); Ibach, Lüth: Festkörperphysik, 3. Aufl. (Kapitel über Halbleiter); Guggenbühl, Strutt, Wunderlin: Halbleiterbauelemente I, 1962, S (ideales Modell), S (Abweichungen); Moll: Physics of Semiconductors, 1964, S , ; J. Nelson: The Physics of Solar ells, Imperial ollege Press, 2003 (reprinted 2007), pp 1-16 (Einführung), pp (monokristalline Si-Solarzellen); Kohlrausch: Praktische Physik II, 22. Aufl., 1968, S. 327 (Schering-Brücke); Gang des Versuchs 1. Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinien einer Halbleiterdiode bei Zimmertemperatur, 50º, 80º und 100º. Dieser Versuchsteil wird von einem P gesteuert, der alle erforderlichen Mess- und Regelaufgaben übernimmt. Die äußere Beschaltung des Messstellenumschalters ist gemäß beiliegender Abbildung 1 aufzubauen. 2. Messung der Sperrschichtkapazität SZ einer unbeleuchteten monokristallinen Si- Solarzelle (c-si-sz) in Abhängigkeit von der angelegten Sperrspannung U mit ca. 40 Werten im Bereich 0,5 V U 5 V. Die Messung erfolgt mit einer Schering-Brücke (Abb. 1) bei der Wechselspannungs-Frequenz 1 khz und der -Amplitude U eff = 30 mv. Zur Kontrolle des Nullabgleichs dient ein Lock-In-Verstärker. 3. Bestimmung von Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom und Füllfaktor (aus Hell-Kennlinie) einer Solarzelle (gleicher Typ: c-si) bei zwei unterschiedlichen Lichtintensitäten. Achtung: Der maximale Umschaltstrom der Widerstandsdekade beträgt 100 ma! 1

2 Aufgaben zur Auswertung 1a) Tragen Sie die aufgenommenen Kennlinien linear (in Sperrrichtung) und halblogarithmisch (in Flussrichtung) auf. b) Bestimmen Sie die Sättigungsströme aus den Messwerten in Flussrichtung. Überlegen Sie, welche Bereiche durch systematische Fehler evtl. besser ignoriert werden sollten. c) Zeichnen Sie in die Diagramme die idealen Kennlinien (unter der Annahme verschwindender Rekombination und Generation in der Raumladungszone) ein und vergleichen bzw. diskutieren Sie. Anmerkung: Wenn die Übersichtlichkeit erhalten bleibt, versuchen Sie mehrere Graphen in ein Diagramm zu bringen. 2a) Leiten Sie die Abgleichbedingung für die Schering-Brücke her und zeigen Sie, dass diese frequenzunabhängig ist. b) Ermitteln Sie aus der Kalibriergeraden (R 2 -Werte zu drei bekannten Kapazitäten Kalibr., die zu SZ [bei U = 0,5 V] parallel geschaltet sind,) das Verhältnis 3 /R 1. c) Bestimmen Sie daraus die Spannungsabhängigkeit der Sperrschichtkapazität SZ. d) Berechnen und zeichnen Sie die Breite der Solarzellen-Sperrschicht als Funktion der Sperrspannung (Modell: Plattenkondensator). - Die Solarzelle ist 52,5 mm breit und 51,0 mm hoch. e) Tragen Sie die Sperrschichtkapazität doppellogarithmisch als Funktion der Sperrspannung auf und bestimmen Sie die Abhängigkeit SZ (U). f) Zeichnen Sie 1/ 2 SZ und 1/ 3 SZ als Funktion der Sperrspannung U. Ermitteln Sie daraus die Diffusionsspannung und den Störstellengradienten am pn-übergang der monokristallinen Silizium-Solarzelle. Diskutieren Sie was es bedeutet, dass eine (welche?) Funktion die Messung besser wiedergibt. 3a) Geben Sie für zwei unterschiedliche Lichtintensitäten jeweils die gemessenen Werte von Leerlaufspannung U O und Kurzschlussstrom I S der beleuchteten Solarzelle an. Bedenken Sie den Einfluss von Störlicht und schützen Sie ggf. Ihr Experiment davor. b) Bestimmen Sie sowohl aus den Werten für U O als auch aus denen für I S das Verhältnis der beiden Lichtintensitäten (Annahme: gleiche spektrale Verteilung). c) Tragen Sie für beide Lichtintensitäten jeweils die Strom-Spannungs-Kennlinie auf. d) Ermitteln Sie die Punkte maximaler Leistung und berechnen daraus die beiden Werte für den Füllfaktor der so beleuchteten Solarzelle. 2

3 e) Bestimmen Sie den Wirkungsgrad η der Solarzelle unter der Annahme, dass die größere der beiden eingestrahlten Lichtleistungen der Wirkung von 22 % des Standardspektrums Air Mass 1.5 (AM 1.5) entspricht. - Die hier benutzte Solarzelle besitzt eine Fläche von etwa 2570 mm 2. Abbildung 1: Messschaltung für den 1. Versuchsteil (Strom-Spannungs-Kennlinien der Diode) 3

4 3 1 Abbildung 2: Messschaltung zum 2. Versuchsteil (Schering-Brücke mit Solarzelle) Abgleichbedingung (Spannung zwischen Punkt 1 und 3 gleich Null): R R = und 1 SZ 2 3 = R ; 3 SZ 2 R1 R SZ und SZ sind durch die unbeleuchtete Solarzelle gegeben. Fragen und Aufgaben zur Selbstkontrolle 0. Was ist das Ziel / das besondere eines jeden Versuchsteiles? 1. Erläutern Sie die Schaltungen zur Kennlinienaufnahme in Fluss- bzw. Sperrrichtung. 2. Zeichnen Sie die ideale Gleichrichterkennlinie. Schreiben Sie die Gleichung an. 3. Zeichnen und erläutern Sie den pn-übergang a) ohne äußeres Feld, b) mit Feld in Sperrrichtung, c) mit Feld in Flussrichtung. Wie ist der Potenzialverlauf? 4. Erläutern Sie den Verlauf der Ladungsträgerkonzentration n als Funktion der Temperatur T beim dotierten Halbleiter. 5. Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Leitfähigkeit σ und der Ladungsträgerkonzentration n? Wie sehen für einen n-dotierten Halbleiter die Funktionen σ (T ) und n(t ) aus? 4

5 6. Wie ändert sich bei dotierten Halbleitern die Lage der Fermi-Energie als Funktion der Temperatur? 7. Welche Effekte sind in den einfachen Modellen eines pn-übergangs vernachlässigt, führen aber bei realen Dioden zu deutlichen Abweichungen vom idealen Verhalten (in Fluss- bzw. in Sperrrichtung)? 8. Erläutern Sie den typischen Aufbau und die Funktion einer Solarzelle aus einkristallinem Silizium. 9. Wie ändert sich qualitativ die Sperrschichtkapazität als Funktion der angelegten Spannung? Warum? 10. Welche Proportionalität besteht zwischen der Spannung U und der Sperrschichtkapazität a) beim linearen Übergang, b) beim abrupten Übergang? 11. Zeichnen Sie die Schering-Brücke und leiten Sie die Abgleichbedingungen her. 12. Was versteht man unter dem Füllfaktor FF einer Solarzelle? Wie ist ihr Wirkungsgrad η definiert? 13. Wodurch sind Leerlaufspannung U O, Kurzschlussstrom I S, FF und η einer Solarzelle begrenzt? 14. Welche Wirkungsgrade werden derzeit typischerweise bei kommerziellen c-si- Solarzellen erreicht? Welches ist der theoretisch optimale Wert für η (keine Tandem- /Mehrzonen-Zellen)? 5