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by Jan P.

Welche Bedingungen müssen für das Auftreten des Photovoltaikeffekts erfüllt sein? Nennen Sie die drei Bedingungen und beschreiben Sie sie kurz.

Absorption eines Photons
Generation von Ladungsträgern
Separation von Ladungsträgern

Wie beeinflusst die Temperatur die Leitfähigkeit eines typischen Halbleiters?

Temperatur steigt —> Leitfähigkeit steigt

Ist der Temperaturkoeffizient eines typischen Halbleiters positiv oder negativ?

Negativ

Wie leitfähig ist ein typischer Halbeleiter bei einer Temperatur von 0 K?

Sigma = 0

Wie beeinflusst die Temperatur die Leitfähigkeit eines typischen Leiters?

Temperatur steigt —> Leitfähigkeit sinkt

Wie leitfähig ist ein typischer Leiter bei einer Temperatur von 0 K?

Sigma = unendlich

Ist der Temperaturkoeffizient eines typischen Leiters positiv oder negativ?

Positiv

Formelzeichen und Einheit der Leitfähigkeit

Formelzeichen: Sigma —> σ

Einheit: 1/Ω*m

Erläutern Sie den Unterschied zwischen einem Isolator, einem Halbleiter und einem Leiter anhand der Energiebänder.

Ein Isolator besitzt eine große Bandlücke zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband, was dazu führt, dass keine Ladungsträger frei fließen können.

Ein Halbleiter hingegen hat eine kleinere Bandlücke, wodurch Elektronen durch Zufuhr von Energie ins Leitungsband gehoben werden können und eine begrenzte Leitfähigkeit entsteht.

Ein Leiter dagegen weist eine geringe oder keine Bandlücke auf, sodass Elektronen frei zwischen dem Valenz- und Leitungsband wechseln können und eine hohe elektrische Leitfähigkeit besteht.

Erklären Sie kurz die Begriffe Valenzband, Leitungsband, verbotene Zone und Fermilevel.

Valenzband: Letztes mit Elektronen besetztes Band
Leitungsband: Liegt energetisch höher als Valenzband.
Verbotene Zone: Zwischen Valenzband und Leitungsband
Fermilevel: Besetzungswahrscheinlichkeit eines Elektrons liegt bei 50 %.

In n-dotiertem Silizium: Was sind die Minoritätsladungsträger und was sind die Majoritätsladungsträger?

Minoritätsladungsträger —> Löcher (Positiv geladen stellen, an den die Elektronen fehlen)

Majoritätsladungsträger —> Elektronen

In p-dotiertem Silizium: Was sind die Minoritätsladungsträger und was sind die Majoritätsladungsträger?

Minoritätsladungsträger —> Elektronen

Majoritätsladungsträger —> Löcher (Positiv geladen stellen, an den die Elektronen fehlen)

Erkläre Strahlende Rekombination

Die Strahlungsrekombination ist ein Rekombinationsprozess in Halbleitern, bei dem ein Elektron im Leitungsband mit einem Loch im Valenzband rekombiniert und dabei ein Photon emittiert.

Erkläre Shockley-Read-Hall-Rekombination

Findet an Defekten im Kristallgitter statt. Elektronen oder Löcher können an diesen Defekten gefangen werden und mit anderen Ladungsträgern rekombinieren.

Erkläre Auger-Rekombination

Nicht-strahlende Rekombination

Leitungsband-Elektron springt auf Valenzband, gibt aber Energie an anderes Leitungsband Elektron ab. Entweder relaxiert es im Leitungsband-Minimum, oder es verlässt bei Oberflächennähe den Kristall.

Erkläre Oberflächenrekombination

Oberflächen weisen Störung im Gitter auf, weil Nachbaratome fehlen. An den Oberflächen können Fremdatome in das Gitter eindringen, die die Rekombination beeinflussen können.

Absorption im p-n Übergang:

Was passiert, wenn ein Photon im Emitter absorbiert wird?

Rekombination —> kein Strom wird generiert

Absorption im p-n Übergang:

Was passiert, wenn ein Photon in der Raumladungszone absorbiert wird?

Separation der Ladungsträger —> Strom wird generiert

Nennen Sie die Standardtestbedingungen.

Einstrahlung: E = 1000 W/m²
Luftmasse: AM = 1,5
Zelltemperatur: T = 25 °C

Herstellungsverfahren für kristalline Si-Solarzellen

Gewinnung von metallurgisches Silizium

Metallurgisches Silizium (MG-Si) wird durch Reduktion des in Form von Quarz vorliegendes Rohstoffes SiO2 mittels Kohlenstoff gewonnen.

SiO2 + 2C —> Si + 2CO

Der Reduktionsprozess erfolgt großtechnisch in Lichtbogenöfen bei Temperaturen zwischen 1900 und 2100 °C. Das Ausgangsprodukt hat einen Reinheitsgrad von über 98%.

Gewinnung von solarreinem Silizium

Es entsteht über einen Reinigungsprozess aus metallurgischem Silizium.

Silanprozess:

Feingemahlenes Silizium wird mit Chlorwasserstoff versetzt und in gasförmiges Trichlorsilan übergeführt

Si + 3HCL —> SiHCL3 + H2

Der Siedepunkt von Trichlorsilan liegt bei 31,8 °C, sodass es sich durch Destillation leicht reinigen lässt. Das gereinigte Trichlorsilan wird anschließend in einem Reaktor bei etwa 1.100 °C reduziert und als polykristallines Silizium abgeschieden.

Nenne 2 Verfahren zur Gewinnung monokristallines Silizium und polykristallines Silizium

Welche Formen haben mono/poly-kristallines Silizium?

mono:

Czochalski verfahren
Zonenschmelzverfahren
In Stabform

Poly:

Bridgemann verfahren
Bloch-Casting verfahren
In Blockform

Erklären Sie kurz den Czochalskiprozess.

Silizium wird in Ofen geschmolzen und ein gezüchteter Kristall wird langsam aus der Schmelze gezogen.

Erklärung Zonenschmelzverfahren

Eine Induktionsheizung erzeugt eine Schmelzzone entlang des Stabs.
Die Schmelzzone wird kontinuierlich durch den Stab bewegt, wodurch Verunreinigungen in die Schmelze überführt werden.
Die Schmelze erstarrt hinter der Schmelzzone und bildet einen reinen Kristallbereich.
Durch wiederholtes Durchlaufen der Schmelzzone wird der reine Kristallbereich vergrößert

Verunreinigung wird nach oben geschoben.

Erklärung Bridgemann verfahren

Silizium wird in einem Behälter geschmolzen und langsam abgekühlt

Erklärung Bloch-Casting-Verfahren

Siliziumschmelze wird zum Auskühlen in einen anderen Behälter gegossen.

Wie werden monokristalline Stäbe bzw. polykristalline Blöcke bezeichnet?

Ingot

Wie werden Siliziumscheiben produziert?

Ein mit Diamantpartikeln besetzter Draht wird verwendet, der langsam durch den Ingot bewegt wird, um präzise Scheiben abzuschneiden.

Wie werden Siliziumscheiben n oder p dotiert?

Die Siliziumscheibe wird bei 800 bis 900 °C in eine Bor (p-dotiert) oder Phosphor (n-dotiert) Atmosphäre gegeben, dabei diffundiert das Silizium mit dem jeweiligen Stoff.

Was wird für die Antireflektierbeschichtung aufgetragen?

Siliziumnitrid (SiNx)

Anzahl Valenzelektronon Bor

Anzahl Valenzelektron Phosphor

Wie funktioniert ein Pyranometer?

Ein Pyranometer misst die Eintrahlungsstärke von Sonnenlicht durch die Umwandlung von Sonnenwärme in eine elektrische Spannung.

Was ist die Funktion einer Referenzsolarzelle

Eine Referenzsolarzelle dient als Standard zur Messung der Leistung und Effizienz anderer Solarzellen. Sie wird mit den STC kalibriert und charakterisiert, um genaue Vergleiche zu ermöglichen.

Warum sollten Eintrahlungsmessungen mit einem Pyranometer und einer Referenzsolarzelle nicht direkt miteinander verglichen werden?

Sie erfassen unterschiedliche Messgrößen. Ein Pyranometer misst die Gesamteinstrahlung von Sonnenlicht über einen breiten Spektralbereich, während eine Referenzsolarzelle spezifische elektrische Eigenschaften einer Solarzelle misst.

Struktur von Silizium kurz beschreiben!

4th Hauptgruppe -> 4 Valenzelektronen

Diamant-Gitter-Struktur

->Stabile Bindung zu Nachbaratomen

Für Leitfähigkeit müssen einige Bindungen gebrochen werden, jm freie Ladungsträger bereitzustellen

->dafür wird Energie benötigt

->thermische Erregung: Temperatur bricht Bindungen

->Interaktion mit Photonen: Absorption eines Photons und Energieübertragung auf Elektron -> Erregung auf Ec

Beschreibe die fermi-dirac-verteilung

Die Fermi-Dirac-Verteilung gibt an, wie die Elektronenenergien im Halbleiter unter Berücksichtigung der Temperatur verteilt sind.

Besetzungswahrscheinlichkeit von Energiezuständen liegt im Bereich von 0 bis 1
Die Verteilungsfunktion ist temperaturabhängig und nimmt mit steigender Temperatur zu.