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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)

A solar cell’s core is a p-n junction, an interface between p-type and n-type Halbleiter materials. This junction creates a built-in electric field in a depletion region. When photons with sufficient energy strike the semiconductor, they create electron-hole pairs. The electric field separates these charge carriers, driving electrons to the n-side and holes to the p-side, generating a voltage.

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.

Dieses eingebaute elektrische Feld ist entscheidend für die photovoltaische WirkungWird ein Photon mit einer Energie oberhalb der Bandlückenenergie (Eg) des Halbleiters absorbiert, regt es ein Elektron vom Valenzband ins Leitungsband an und erzeugt so ein Elektron-Loch-Paar. Wird dieses Paar in der Verarmungszone oder nahe genug an ihr erzeugt, um hineinzudiffundieren, wirkt das elektrische Feld auf es ein. Das Feld lenkt das Elektron zur n-Seite und das Loch zur p-Seite. Diese Ladungstrennung verhindert die sofortige Rekombination und führt zu einer Ansammlung positiver Ladung auf der p-Seite und negativer Ladung auf der n-Seite. Diese Ladungstrennung im Bauelement erzeugt eine Photospannung, die einen Strom durch einen externen Stromkreis treiben und so Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln kann.

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

Potenzielle Innovationsideen

  • transparente pn-Übergänge für fensterintegrierte Solarzellen
  • flexible p-n junctions woven into textiles for tragbar power
  • Biointegrierte pn-Übergänge zur Stromversorgung medizinischer Implantate
  • pn-Übergänge, optimiert für bestimmte schmalbandige Lichtquellen wie Laser
  • akustisch-photovoltaische Geräte, die pn-Übergänge verwenden, um Schallwellen in Elektrizität umzuwandeln
  • selbstheilende pn-Übergänge mit polymerbasierten Halbleitern
  • p-n junctions designed for underwater energy harvesting from Biolumineszenz
  • strahlungsgehärtete pn-Übergänge für Weltraummissionen mit Diamanthalbleitern
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)

10. Jahr Jubiläum

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