Halbleiter sind Materialien die elektrischen Strom besser leiten als Isolatoren, aber nicht so gut wie Leiter.

Diese Eigenschaft macht sie für eine Vielzahl von Anwendungen attraktiv, insbesondere auch für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie in Photovoltaiksystemen.

Wie funktioniert ein Halbleiter?

Die Elektronen in einem Halbleiter sind auf bestimmte Energiebänder beschränkt. Um die Funktion von Halbleitern zu verstehen, reicht es an dieser Stelle, die Betrachtung auf das Valenzband und das Leitungsband zu beschränken.

Zwischen diesen beiden Bändern befindet sich eine sogenannte Bandlücke, die kein Elektron besetzen kann.

Bei Raumtemperatur ist diese Bandlücke so groß, dass sie nicht überwunden werden kann und der Halbleiter leitet nicht.

Sobald Sonnenlicht auf den Halbleiter trifft, werden Elektronen aus dem Valenzband befreit und in das Leitungsband angehoben.

Die so erzeugten freien Elektron im Leitungsband und die zugehörigen „Löcher“ im Valenzband können nun zur Stromleitung beitragen.

Wer das noch genauer zu verstehen möchte, sollte sich mit der Dotierung von Halbleitern und dem p-n-Übergang auseinandersetzen.

Halbleitermaterial: Silizium

Silizium ist das am weitesten verbreitete Halbleitermaterial in Solarzellen. Vor allem wegen seiner physikalischen Eigenschaften. Silizium …

• hat eine geeignete Bandlücke, um einen großen Teils des Sonnenlichtspektrums zu absorbieren
• besitzt eine große Stabilität und Haltbarkeit
• ist in großen Mengen verfügbar
• kann einfach verarbeitet werden

Das alles macht Silizium zu einem idealen Material für langlebige Solarzellen.

Es gibt zwei Haupttypen von Silizium in Solarzellen.

Monokristallines Silizium besteht aus einem einzigen, durchgehenden Kristallgitter, was zu höheren Effizienzraten führt. Dafür ist es teurer in der Herstellung.

Polykristallines Silizium besteht aus vielen kleinen Kristallen und ist weniger effizient, aber auch günstiger zu produzieren.

Alternative Halbleitermaterialien

Obwohl Silizium das dominierende Material in der Photovoltaik ist, gibt es andere Halbleitermaterialien, die für spezielle Anwendungen attraktiv sein können.

1. Dünnschichtmaterialien: Dazu zählen Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) und amorphes Silizium (a-Si). Dünnschicht-Solarzellen haben in der Regel einen geringeren Wirkungsgrad als Silizium-Solarzellen, sind aber kostengünstiger und flexibler in ihrer Anwendung.
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2. Perowskit: Perowskit-Solarzellen sind eine neuere Entwicklung in der Photovoltaik. Sie verwenden eine spezielle Kristallstruktur und können hohe Wirkungsgrade erreichen. Allerdings gibt es noch einige Herausforderungen wie z.B. in Bezug auf die Langlebigkeit.
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3. Galliumarsenid (GaAs): Galliumarsenid ist ein weiteres Material, das in der Photovoltaik verwendet wird, vor allem in Raumfahrtanwendungen, wo hohe Effizienz und Widerstandsfähigkeit gegen Strahlung wichtig sind.
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4. Mehrere Verbindungshalbleiter: In mehrschichtigen (Tandem) Solarzellen werden oft mehrere Halbleitermaterialien übereinander geschichtet, um einen größeren Bereich des Sonnenlichtspektrums zu nutzen und so die Effizienz zu steigern.
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Jedes dieser Materialien hat seine spezifischen Vorteile und Nachteile hinsichtlich Effizienz, Kosten, Herstellung und Umweltverträglichkeit.

Effizienz von Halbleitermaterialien

Die Effizienz eines Halbleitermaterials ist ein wichtiger Faktor bei der Leistung einer Solaranlage. Sie bezieht sich auf die Menge an Sonnenlicht, die ein Material in elektrische Energie umwandeln kann.

Die Effizienz hängt von mehreren intrinsische Faktoren der Module ab, darunter:

• die Absorptionseigenschaften des Materials
• die Qualität der hergestellten Solarzellen
• die Betriebstemperatur der Zellen.

Natürlich wird die Effizienz auch maßgeblich durch lokale Gegebenheiten beeinflusst, wie:

• Lage
• Ausrichtung
• Verschattung
• etc.

Des Weiteren spielt auch der Zustand der Module eine große Rolle. Verschmutzungen, Mikrorisse und die Einstellung der gesamten Anlage sind nur einige der wichtigen Faktoren.

Nachhaltigkeit und Recycling

Bei der Betrachtung der Nachhaltigkeit von Photovoltaiksystemen spielen Halbleitermaterialien eine wichtige Rolle. Die Gewinnung und Verarbeitung von Halbleitermaterialien kann erhebliche Energie und Ressourcen erfordern, und das Recycling dieser Materialien am Ende ihrer Lebensdauer ist eine wichtige Aufgabe.

Zum Beispiel Silizium kann in hohem Maße recycelt werden, was zu einer weiteren Reduzierung der Umweltbelastung durch Solaranlagen beiträgt.

Jedoch gibt es auch Herausforderungen bei der Wiederverwertung einiger Halbleitermaterialien, insbesondere solcher, die giftige oder seltene Elemente enthalten.

Eine fortlaufende Forschung und Entwicklung zielt darauf ab, nachhaltigere Verfahren für die Herstellung und das Recycling von Halbleitermaterialien zu finden.

Fazit

Die Halbleitertechnologie ist ein dynamisches und schnelllebiges Feld mit ständig neuen Fortschritten und Innovationen. Die Suche nach effizienteren, kostengünstigeren und nachhaltigeren Materialien für die Photovoltaik ist ein Hauptantrieb für die Forschung in diesem Bereich.

Insgesamt ist es ein aufregender Zeitpunkt, um die Entwicklungen in der Halbleitertechnologie und ihren Einfluss auf die Photovoltaik zu beobachten.

Kurz gesagt:
Ein Halbleiter ist ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Leiters und eines Isolators liegt und sich durch Licht, Temperatur oder elektrische Spannung beeinflussen lässt. Halbleiter sind unerlässlich für die Funktion von Solarzellen, die wiederum die Grundbausteine jeder Solaranlage darstellen.

Nachgefragt:

Warum sind Halbleiter wichtig in der Elektronik und Photovoltaik?

Halbleiter sind in beiden Bereichen von grundlegender Bedeutung:

1. Elektronik: Halbleiter bilden die Grundlage für die meisten elektronischen Geräte, die wir heute nutzen, einschließlich Computer, Mobiltelefone und viele andere. Sie ermöglichen die Herstellung von Geräten wie Transistoren und Dioden, die grundlegende Bestandteile von elektronischen Schaltkreisen sind. Durch die Manipulation der Eigenschaften von Halbleitern können wir diese Bauteile dazu nutzen, Strom in einer bestimmten Weise zu leiten, zu steuern oder zu modulieren, was eine genaue Kontrolle von elektronischen Geräten ermöglicht.
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2. Photovoltaik: In der Photovoltaik sind Halbleiter das Herzstück jeder Solarzelle. Sie ermöglichen die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie durch den photovoltaischen Effekt. Wenn Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, wird die Energie der Photonen genutzt, um Elektronen in der Halbleiterstruktur anzustoßen. Dies erzeugt einen elektrischen Strom, der dann genutzt werden kann, um elektrische Geräte zu betreiben oder in das Stromnetz eingespeist werden kann.
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Diese Anwendungen zeigen, dass Halbleiter sowohl in der modernen Elektronik als auch in der erneuerbaren Energietechnologie eine zentrale Rolle spielen. Ohne sie wären viele der Technologien, die wir heute als selbstverständlich ansehen, nicht möglich.

Wie beeinflusst die Temperatur die Leitfähigkeit eines Halbleiters?

Bei Metallen nimmt die elektrische Leitfähigkeit ab, wenn die Temperatur steig. Im Gegensatz dazu nimmt die Leitfähigkeit von Halbleitern zu, bei steigender Temperatur zu.

Dies liegt daran, dass durch mehr Wärmeenergie auch mehr Elektronen in den leitfähigen Zustand „gestoßen“ werden.

Was sind die Vor- und Nachteile von Halbleitern?

Halbleiter ermöglichen die Miniaturisierung und Effizienz moderner Elektronik, sind aber komplex herzustellen und ihre Leistung kann durch Faktoren wie Temperatur beeinträchtigt werden.

Wie werden Halbleiter hergestellt?

Die Herstellung von Halbleitern ist ein komplexer Prozess. Er beinhaltet:

• Die Schaffung eines monokristallinen Halbleitermaterials.
• Die Dotierung dieses Materials zur Veränderung seiner Eigenschaften.
• Je nach Anwendungszweck die Erzeugung von mikroskopisch kleinen Strukturen auf der Oberfläche des Kristalls.

Was bedeutet „Dotierung“ bei Halbleitern?

Dotierung bezieht sich auf den Prozess der Einbringung von Fremdatomen in einen Halbleiter, um seine elektrischen Eigenschaften zu ändern.

Dies kann genutzt werden, um n-dotierte- oder p-dotierte-Halbleiter herzustellen, die entscheidend für die Funktion von Bauteilen wie Dioden, Transistoren und Solarzellen sind.