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Solarzellen sind
großflächige pn-Übergänge mit einer (im Jahre
2003) (0.3 - 0.5) µm dicken p-Si-Seite und einer
dünnen (<< 1 µm) n-Si-Schicht. |
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Alle Photonen mit E = h
· n > EG werden im
Halbleiter absorbiert wobei ein Elektron-Lochpaar gebildet wird. Alle Photonen
mit kleinerer Energie werden nicht absobiert; ihre Energie geht
"verloren". Die photogenerierte Elektronen landen als
zusätzliche Minoritätsladungsträger im Leitungsband des
p-Halbleiter. |
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Die bei kurzwelligen Photonen
vorhandene Überschußenergie EG – h ·
n geht bei der Thermalisierung der
Ladungsträger "verloren", d.h. macht nur die Solarzelle
wärmer. |
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Damit gibt es ein fundamentales
Dilemma: Halbleiter mit kleinem Bandgap abbsorbieren zwar mehr Photonen,
verlieren aber einen Großteil der Überschußenergie; Halbleiter
mit großem Bandgap tun das nicht, aber lassen viele Photonen durch. |
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Konsequenz: Relativ zum gegebenen
Sonnenspektrum (= wieviel Photonen gibt es bei welcher Energie) muß es
ein optimales Bandgap EGopt geben mit
maximalem Wirkungsgrad h = (Energie aus
Solarzelle / Energie im Licht) · 100%. |
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EGopt liegt bei » 1,5 eV (»
GaAs); hmax ist dann » 30 %. Für Si Solarzellen
(EG = 1,1 eV) ist der theoretisch maximale
Wirkungsgrad zwangsläufig etwas kleiner und liegt bei » 25%. |
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Reale Wirkungsgrade sind immer kleiner, 15
% ist für ein kommerzielles Solarzellenmodul bereits ein sehr guter
Wert. Damit ist die Energie"produktion" im Mittel über alles
begrenzt auf (ganz grob /Faustregel) 100 W/m2. |
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Ein Blick auf die grundsätzliche
Funktionsweise macht klar, warum die Diffusionlänge, und damit kristalline
Perfektion, der Schlüsselparameter zum Erfolg ist (und Si
Solarzellen niemals beliebig billig sein werden). |
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Elektrisch wird die Solarzelle komplett
beschrieben durch die Diodengleichung mit einem zusätzlichem Term für
den (Rückwärts) Photostrom |
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| j(Uex) = |
æ
ç
è |
e · L · nMin(L)
t |
+ |
e · L · nMin(V)
t |
ö
÷
ø |
· |
æ
ç
è |
exp |
eUex
kT |
– 1 |
ö
÷
ø |
–
jr(solar) |
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Die graphische Darstellung ist
einfach und aufschlußreich: Sie definiert direkt die
Schlüsselparameter Kurzschlußstrom (ISC);
Leerlaufspannung (UOC), Füllfaktor (FF)
und optimaler Arbeitspunk (AP). |
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Bipolar Transistor |
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Ein bipolar Transistor ist eine
Sequenz aus npn oder pnp-dotiertem Si, wobei der mittlere
Teil (die Basis) sehr dünn sein
muß (genauer: dB << L) |
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Ein Bild definiert die wichtigstem
Terme: |
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Das Prinzip ist einfach: Die in
Vorwärtsrichtung geschaltete Emitter-Basisdiode injiziert einen
großen Löcherstrom vom Emitter in die Basis und einen
Elektronenstrom von der Basis in den Emitter. |
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Da die Basis dünn ist, werden viele der
injizierten Löcher bis zur RLZ der in Sperrichtung geschalteten
Basis-Kollektordiode gelangen und dann vom dort herrschenden elektrischen Feld
in den Kollektor "gespült". |
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Es ist wichtig (und einfach), den
"Stromlaufplan" zu verstehen: |
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Bei Vernachlässigung aller
"kleinen" Rückwärtströme und der Voraussetzung, dass
j hR(BK) »
j hF(BE), ergibt sich sofort die Stromverstärkung in einfachster Weise zu |
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| b =
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IK
IB |
= |
j hR(BK)
j eF(BE) |
= |
j hF(BE)
j eF(BE) |
= |
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· |
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= |
NA(E)
ND(B) |
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Damit ist die Herstellung eines
verstärkenden Elements zurückgeführt auf Geometrie ("Mache
ein sehr dünne Basis (plus "Drähtchen nach außen)")
und ein extremes Dotierverhältnis! |
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Mikroelektronik wird möglich! |
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© H. Föll (MaWi 2 Skript)
