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Das PN-Übergangs-Photovoltaik-Prinzip

1940
  • Russell Ohl
P-N-Übergang in einer Solarzelle zur Demonstration der Halbleiterphysik.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Der Kern einer Solarzelle ist ein pn-Übergang, die Grenzfläche zwischen p- und n-dotierten Halbleitermaterialien. Dieser Übergang erzeugt ein eingebautes elektrisches Feld in der Verarmungszone. Wenn Photonen mit ausreichender Energie auf den Halbleiter treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. Das elektrische Feld trennt diese Ladungsträger, indem es Elektronen zur n-Seite und Löcher zur p-Seite treibt und so eine Spannung erzeugt.

Der pn-Übergang ist der grundlegende Baustein der meisten Solarzellen. Er entsteht durch die Verbindung eines p-Typ-Halbleiters mit einem Überschuss an Löchern (positiven Ladungsträgern) mit einem n-Typ-Halbleiter mit einem Überschuss an Elektronen (negativen Ladungsträgern). Dies wird typischerweise durch die Dotierung eines einzelnen Halbleiterkristalls, beispielsweise Silizium, mit unterschiedlichen Verunreinigungen auf beiden Seiten erreicht.

An der Grenzfläche diffundieren Elektronen von der n-Seite zur p-Seite und Löcher von der p-Seite zur n-Seite. Dieser Diffusionsprozess ist nicht unbegrenzt. Beim Überqueren des Übergangs rekombinieren Elektronen und Löcher und hinterlassen ionisierte Donatoratome auf der n-Seite und ionisierte Akzeptoratome auf der p-Seite. Dadurch entsteht eine Zone mit einem Mangel an freien Ladungsträgern, die als Verarmungszone oder Raumladungszone bezeichnet wird. Die fixierten, ionisierten Atome in dieser Zone erzeugen ein starkes, statisches elektrisches Feld, das von der n-Seite zur p-Seite gerichtet ist.

This built-in electric field is crucial for the photovoltaic effect. When a photon with energy greater than the semiconductor’s bandgap energy ([latex]E_g[/latex]) is absorbed, it excites an electron from the valence band to the conduction band, creating an electron-hole pair. If this pair is generated within the depletion region or close enough to diffuse into it, the electric field acts on them. The field sweeps the electron towards the n-side and the hole towards the p-side. This separation of charge prevents immediate recombination and creates an accumulation of positive charge on the p-side and negative charge on the n-side. This charge separation across the device results in a photovoltage, which can drive a current through an external circuit, thus converting light energy into electrical energy.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Physik

Typ

Physikalisches Gerät

Störung

Revolutionär

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Entdeckung des photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz (1887)
  • Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts (1905)
  • Entwicklung der Halbleiterphysik und Dotierungstechniken
  • Entdeckung der Gleichrichtung an einem Metall-Halbleiter-Kontakt (1874)

Anwendungen

  • Photovoltaik-Solarmodule
  • Fotodioden
  • Leuchtdioden (LEDs)
  • Halbleitertransistoren

Patente:

  • US2402662A

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Verwandt mit: pn-Übergang, photovoltaischer Effekt, Halbleiter, Verarmungszone, Elektron-Loch-Paar, Ladungstrennung, eingebautes Feld, Solarzelle.

Historischer Kontext

Das PN-Übergangs-Photovoltaik-Prinzip

1932
1933
1937
1940
1947
1950
1950
1931
1932
1936-01-01
1938
1940
1950
1950
1950

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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