Halbleiter Grundlagen und Anwendungen

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1 Halbleiter Grundlagen und Anwendungen 0. Historische Entwicklung Durch die Miniaturisierung von Bauteilen, wurde es möglich, immer kleiner und sparsamere Geräte zu erzeugen. Beispiele sind Computer, Transistorradio, Taschenrechner, Handy,... Mit der Erfindung des Transistors in den 30-iger Jahren wurde das Zeitalter der Mikroelektronik eingeleitet. Der Transistor löste den Dinosaurier und Stromfresser Röhre als Verstärkerelement ab und ersetzt als vollautomatisch ansteuerbarer Schalter (Steuerelement) die elektromechanischen Schalter (z. B. in Telefonzentralen). Später setzte sich dieser Trend durch die Entwicklung des ICs (integrated circuit) = Chip (=dünnes Siliziumplättchen) fort, wo auf kleinstem Raum ganze Schaltkreise mit Transitoren, Dioden, Kondensatoren, Widerständen,...) verwirklicht sind. Der photovoltaische Effekt wurde bereits 1839 vom Franzosen Alexandre Edmund Bequerel entdeckt. Die erste Solarzelle baute Charles Fritts gegen Ende des 19. Jahrhunderts. Der Durchbruch in der Entwicklung der Solarzellen wurde Mitte der Fünfzigerjahre durch die Forscher der Bell Telephone Laboratories geschafft, als es galt, die Energieversorgung entlegener Telkommunikationsstationen und zu gewährleisten. Bereits 4 Jahre später versorgten Solarmodule den ersten Satelliten mit Elektrizität. 1. Grundlagen - Halbleitereigenschaften 1.1 Eigenleitung Halbleiter bestehen grundsätzlich aus Elementen der 14. Gruppe des Periodensystems und haben daher 4 Valenzelektronen. Zumeist erzeugt man Silizium aus SiO 2 (Sand). Auf diese Weise lässt sich ein Kristall bilden, bei dem das einzelne Atom durch 4 Elektronenpaare mit seinen Nachbaratomen verbunden ist. Jedes Atom hat dabei scheinbar 8 Valenzelektronen, was dem Edelgaszustand entspricht und wäre somit elektrisch gesehen ein Nichtleiter. Im Unterschied zu einem echten Edelgas sind die Valenzelektronen schwächer an den Kern gebunden, sodass sie sich bereits bei Raumtemperatur durch die thermische Bewegung vom Atom ablösen können, wodurch es zu einem geringfügigen Stromfluss kommt, sobald man von außen eine Spannung an den reinen Halbleiterkristall anlegt. 1.2 Störstellenleitung durch Dotierung (geringfügige Zugabe anderer Substanzen) p-leiter: Um den oben erwähnten Effekt zu verstärken dotiert man den Halbleiter mit geringen Spuren 3-wertiger Elemente (z. B. Bor). Auf diese Weise schafft man Löcher (freie Plätze) für die Elektronen, sodass sie sich leichter durch den Kristall bewegen können. n-leiter: Eine andere Möglichkeit der Dotierung ist die Zugabe 5-wertiger Elemente (z. B. Arsen), um zusätzliche freie Ladungsträger zu schaffen. Halbleiter Fotovoltaik S 1

2 2. Diode Besteht aus einem p+n-leiter. An der Berührungsfläche kommt es zu einer Elektronendiffusion (in Folge thermischer Bewegung). Von den 5-wertigen Atomen (des n-leiters) geht je ein Elektron zu den 3-wertigen Atomen (des p- Leiters) über. Grenzschicht verarmt an freien Ladungsträgern; wird zur Sperrschicht. Es entsteht eine Sperrspannung (pos. im n-leiter; neg. im p-leiter). Applet: 3. Weitere Anwendungen: Transistor, LED (light emitting diode), LDR (light depended resistor) 4. Sonnennutzung 4.1 Solare Einstrahlung In jeder Sekunde werden in der Sonne 11 6,7 10 kg Wasserstoff zu Helium 2 verschmolzen. Dabei werden wegen des Massendefektes ( E = m c ) 4,2 Mio. t Materie in eine Energiemenge von 4 10 J = 1,11 10 Mrd. KWh verwandelt. Dieser Prozess dauert insgesamt ca. 10 Mia. Jahre und wird daher noch ca. unvorstellbare 5,4 Mrd. Jahre andauern. Somit ist Sonnenenergie unbegrenzt verfügbar. Obwohl nur ein äußerst kleiner Teil dieser Energie die Erde erreicht, strahlt die Sonne in weniger als drei Stunden so viel Energie auf die Erde, wie die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht. P=180 Mio. MW W/m 2 [s] Abb. 1: Globalstrahlung für einen sonnigen Herbsttag ( , Wien) Beachte die unterschiedliche Skalierung der y-achse! Abb. 2: Globalstrahlung für einen teilweise bewölkten Frühlingstag ( , Wien) Halbleiter Fotovoltaik S 2

3 Abb.: Jährliche Sonneneinstrahlung in Österreich pro Quadratmeter 4.3 Fotovoltaik lichtelektrischer Effekt Die Fotovoltaik ermöglicht die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. Außerdem ist sie wartungsarm, da sie über keine beweglichen Teile verfügt Herstellung eines Solarmoduls Kristalline Zellen weisen eine regelmäßige Kristallstruktur auf. Der Herstellungsvorgang des äußerst reinen monokristallinen Siliziums ist extrem aufwendig: Silizium-Einkristalle werden aus einer gereinigten Siliziumschmelze gezogen, wobei für den geordneten Kristallaufbau eine Ziehgeschwindigkeit von maximal 30 cm/h möglich ist. Die Herstellung polykristalliner Zellen ist entsprechend einfacher, was sich in einem geringeren Zeitaufwand und auch in geringeren Kosten niederschlägt. Die gereinigte Siliziumschmelze wird in Blöcke gegossen und wie auch die monokristalline mit einer Säge in Scheiben von 0,2 mm Dicke zersägt. Eine Solar-Zelle ist in zwei Schichten mit unterschiedlicher Ladung aufgebaut (Grundlagen siehe 2.6). Um die Schichten zu erzeugen werden auf der oberen und unteren Schicht gezielt verschiedenartige Fremdatome eingebracht (Dotierung). Dies geht zum Beispiel so vor sich, dass aus einem geeigneten Gas und bei hoher Temperatur Fremdatome auf einer Seite der Silizium-Scheibe eindringen ("diffundieren") lässt. Mehrere Solar-Zellen werden nun in Serie geschalten (verlötet). Um diese vor Witterungseinflüssen und mechanischer Beanspruchung zu schützen, werden die Zellen einlaminiert: Zum Schluss wird das Laminat mit einem Rahmen versehen, der es vor der Witterung schützt. Halbleiter Fotovoltaik S 3

4 4.3.2 Emissionen und energetische Amortisationszeit Insgesamt werden die mit der Produktion der Photovoltaikzellen verbundenen Emissionen von den vermiedenen Emissionen in fossilen Kraftwerken deutlich übertroffen. Eine Energiealternative ist nur dann sinnvoll, wenn die Energie, die zu ihrer Erzeugung benötigt wird, entsprechend geringer ist, als die Energiemenge, die sie im Lauf ihrer Lebensdauer umwandelt. Für den Bereich der Photovoltaik gilt folgendes: Der Zeitraum für die Rücklieferung der Erzeugungs-Energiemenge ( pay-back-time") liegt bei etwa 2 Jahren. Vorausgesetzt wurden polykristalline Zellen mit einem Wirkungsgrad von 12%, sowie eine Sonneneinstrahlung für mitteleuropäische Verhältnisse von kwh pro Quadratmeter und Jahr. Bei einer Einstrahlung von kwh/m 2 a, die sonnigeren Gebieten entspricht, reduziert sich diese Zeit auf 1,6 Jahre. Nach ihrer Amortisation produziert die Solarzelle für die restliche Zeit ihrer auf 30 Jahre geschätzten Lebensdauer emissionsfrei Strom Alterung der Solarzellen Wie jeder Körper verändert sich auch die Solarzelle und deren Leistung unter dem Einfluss der Alterung. Für handelsübliche mono- oder polykristalline Silizium-Solarzellen ist das Problem der Alterung sekundär. Solarzellen, die fachgerecht verkapselt werden, halten Jahrzehnte und verkleinern ihre Leistung nur unwesentlich. So wird z. B. auf monokristalline Solarzellen eine 25-jährige Garantie bei 80% der angegebenen Leistung gewährt Wettbewerbsfähigkeit Die Kosten sind seit 2006 um 30 % und mehr gesunken. Im Sommer 2011 war in Bayern der Anteil an erneuerbarer Energie derartig groß, dass fossile Kraftwerke vom Netz genommen werden mussten, was zu einer Reduktion des Strommarktpreises führte Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle Aufbau Die Solarzelle ist ihrem Aufbau nach eine Diode. Zur Absorption eignet sich (ähnlich wie bei den Molekülen der Luft) nicht jede Wellenlänge gleich gut. Die Wahl der Fremdatome für die Dotierung (z. B. durch Phosphor) beeinflusst wegen der unterschiedlichen selektiven Absorption den Wirkungsgrad der Solarzelle. Funktionsweise Durch das einfallende Licht werden Elektronen in der Sperrschicht aus der Gitterbindung gelöst. Dadurch entstehen freie Elektronen und Löcher. Auf diese Weise fließt ein Fotostrom, der proportional zur Lichtintensität und Fläche ist. Die Spannung beträgt dabei flächenunabhängig ca. 0,5 V. Halbleiter Fotovoltaik S 4

5 4.3.6 TurmLAB - Fotovoltaikanlage im Inselbetrieb Das schuleigene Turmlabor umfasst neben den beiden Solarmodulen von insgesamt 1 m 2, die aus 36 Einzelzellen bestehen, Laderegler, 2 Solarakkus, Spannungswandler und diverse Verbraucher (12V=, 230V~). Die solare Einstrahlung und der Wind liefern die Energie aus der der Strom für das Labor erzeugt wird. Der gewonnene Strom wird in einem Akku gespeichert und steht so für Beleuchtung, Notebook und Experimente zur Verfügung. Bei einem Wirkungsgrad von 18,5 % 1 können bei einer solaren Einstrahlung von bis zu 1000 W/m 2 max. 185 W/m 2 an elektrischer Energie gewonnen werden. Insgesamt ergibt sich ein Jahresertrag von , kwh/m 2 a. Ein Laderegler schützt den Solarakku vor Tiefentladung und Überladung. Entnimmt ein Verbraucher dem Solarakku Energie, so kommt es beim Unterschreiten einer gewissen voreingestellten Betriebsspannung zum Lastabwurf des Verbrauchers, das heißt, dass dieser zum Schutz des Akkus nicht mehr weiter mit elektrischer Energie versorgt wird Netzgekoppelte Anlagen Bei netzgekoppelten Anlagen entfällt die Speicherung. Mittels Wechselrichter (verwandelt Gleichstrom in phasengleichen Wechselstrom) wird der überschüssige Strom ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Zu Zeiten geringer Produktion wird umgekehrt Strom aus dem Netz bezogen. Wenn sich pro m 2 sich jährlich ca. 200 KWh an elektrischer 1 Monokristallin: bis zu 18,5 % als Zelle (als Modul etwas weniger) Polykristallin: mehrkristallin (auch Fremdatome): bis zu 15 % Amorph: nicht kristallin; als Dünnschichtmodul produzierbar: 0,01 mm; deutlich unter 10% Halbleiter Fotovoltaik S 5

6 Energie gewinnen lassen, so benötigt ein Einfamilienhaushalt ca. 30 m 2 an Solarmodulen. (5,5 KW peak ) Speicherung und Transport von elektrischer Energie: Am Erfolg versprechendsten scheint hier neben konventioneller Pumpspeicherung (η=0,75) die Wasserstofftechnik zu sein. Auf diese Art und Weise ließe sich die gewonnene Energie auch über große Distanzen verlustfrei transportieren bzw. für Zeiten höheren Strombedarfes bzw. geringerer Produktion zwischenlagern, was zu Aufrechterhaltung der Netzstabilität unbedingt nötig ist. Halbleiter Fotovoltaik S 6