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Wie funktioniert eine Solarzelle?

 
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Sowasaberauch



Anmeldedatum: 09.04.2008
Beiträge: 833

BeitragVerfasst am: Fr Sep 05, 2008 12:57 pm    Titel: Wie funktioniert eine Solarzelle? Antworten mit Zitat

Wieso genau funktioniert eine Solarzelle?

Klar, hab ich mir Wiki angesehen: http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle



Ich versteh auch, das ganze mit dem Photoeffekt und den pn-Dotierungen.
Durch die pn-Dotierung entsteht eine Grenzschicht im Material, welches dann die durch den Photoeffekt getrennten Ladungen in entgegengesetzte Richtungen "zieht" (bedingt durch das E-Feld der Grenzschicht). Man könnte also auch vereinfacht sagen, durch die Bildung der Grenzschicht entsteht ein Elektret, ein permanentes gerichtetes E-Feld im Material.

Bis hierhin alles klar.

Aber wieso generiert das dann eine Spannung an den äusseren Metallflächen?
Ein Elektret ist ja eigentlich sowas wie ein "vorgespannter" Kondensator (bei dem das Dielektrikum bereits ein E-Feld hat). Klar zieht bedingt durch das E-Feld das Elektret ungebundene Elektronen, oder Ionen (Löcher) auf die verschiedenen Seiten des Elekret (des E-Feldes). Aber die angesammelten Ladungen minimieren dann immer mehr das E-Feld, bis dann irgendwann das E-Feld 0 ist. Der Kondensator ist nun entladen.
Wieso kann man jetzt an den Metallflächen eine Spannung-Strom abgreifen? Denn dort wo das E-Feld pos ist, sammeln sich ja Elektronen, aber die Konzentration der Elektronen kann dort ja nie höher werden als dass das E-Feld 0 wird. Und dann fliesst kein Strom. Und zuvor werden die Elektronen doch auch nicht weg vom Elektret gehen, da sie immer noch vom E-Feld des Elektrets (pn-Übergang) angezogen werden???
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uli.paul



Anmeldedatum: 04.02.2006
Beiträge: 669
Wohnort: Augsburg

BeitragVerfasst am: Mo Sep 08, 2008 3:44 am    Titel: Antworten mit Zitat

Die Antwort auf Deine Frage ist nicht ganz so einfach, weil Du hast gefragt "wie funktionieren Solarzellen?". Die von Dir aufgezeichnete Solarzelle funktioniert einfach dadurch, dass sie kein Kondensator ist (jedenfalls, was ihr Wirkprinzip betrifft).

An der Grenzschicht werden Elektron-Löcher-Paare erzeugt. Die Elektronen stoßen die anderen Elektronen ab und die Löcher machen das gleiche mit den anderen Löchern. Also wandern beide weg von der Grenzschicht und somit wird ein Feld und ein Strom aufgebaut. Woher kommt die Energie, die sie - die sich ja eigentlich anziehen - auseinandertreibt? Das ist genau die Strahlungsenergie, die an der Grenzschicht absorbiert wurde. Genau diese ist verantwortlich dafür, dass sich über einer Solarzelle eine (recht bestimmte) Spannung aufbaut und dass ein Strom fließen kann.

Welche Spannung sich über einer Solarzelle aufbaut (bei halbwegs genügender Beleuchtung) ist weitgehend nur vom verwendeten Material abhängig.

Viel wichtiger ist eines: normale Solarzellen konvertieren nur 12-17% der einfallenden Strahlung in elektrische Energie. Moderne - im Labor - schaffen 30%. Mit der derzeitigen Technologie liegt die Grenze bei ca. 50% - der Rest der eingestrahlten Energie geht durch quantenmechanische Effekte verloren. Aber das können wir durch die Nanotechnologie - hoffentlich - überwinden.
_________________
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Sowasaberauch



Anmeldedatum: 09.04.2008
Beiträge: 833

BeitragVerfasst am: Mo Sep 08, 2008 10:34 am    Titel: Antworten mit Zitat

Vielen Dank für den Versuch, aber das ist die gleiche Erklärung, wie sie auch bei Wiki steht, da fehlt mir einfach ein wichtiger Teil:

Nämlich, bei der Energie Umwandlung!

Da steht, dann einfach, das Licht hebt die Elektronen ins Leitungsband. Aber wieso wandern sie dann soweit, bis sie ja eigentlich zuweit gewandert sind und nun als Leistungsgenerierend an den Metallflächen ankommen.

Also ich hab das wie gesagt so verstanden:
* P und N dotiert. Diese Gebiete sind elektrisch eigentlich neutral, haben durch die Dotierung durch Fremdatome jetzt aber unterschiedliche "vorlieben" für Elektronen.
* Deshalb wandern nun freie Elektronen aus der N-Schicht in die P-Schicht, und freie "Löcher" der P-Schicht in die N-Schicht. Es entsteht eine Zwischenschicht "Raumladungszone", in der nun eine elektrische Ungleichheit herrscht, und deshalb ein elektrisches Feld existiert.
* Nun kommen Photonen. Diese treffen die Atome und heben einige Elektronen in das Leitungsband (machen diese leitend).
* Jetzt die Frage wieso genau bewegen sich jetzt diese Elektronen so weit über das E-Feld hinaus, bis sie dann tatsächlich an den Metallflächen ankommen und man dort dann sogar eine Leistung abgreifen kann.
Das ist mir immer noch nicht klar!

Zusatzfrage: Diese unterschiedlichen vorlieben für Elektronen durch die Dotierung. Kann man da nicht einfach 2 verschiedene Elemente nehmen mit verschiedenen vorlieben für Elektronen?

Zitat:
An der Grenzschicht werden Elektron-Löcher-Paare erzeugt. Die Elektronen stoßen die anderen Elektronen ab und die Löcher machen das gleiche mit den anderen Löchern.


Aber vorher waren die Elektronen doch auch "zufrieden" an dieser Position. Wieso sollten diese denn plötzlich abwandern, nur weil Sie jetzt "frei" sind? Wenn ich irgendwo ein Elektron aus einem Atom schlage, wird dieses doch gleich wieder vom Atom angezogen werden, da dieses nun positiv geladen ist. Es sei denn man verhindert dies anderweitig (z.b. E-Feld).

Bzgl. Wirkungsgrad:
Soviel ich noch weiss, liegt das Problem des Wirkungsgrad, neben den normalen Verlusten daran, dass der Photoeffekt eben gequantelt ist. Jede zusätzliche Energie, neben der benötigen für das Heben des Elektrons ins Leitungsband, welche vorhanden wäre im Photon geht einfach verloren.
Deshalb sind normale Solarzellen so gebaut, dass sie bereits mit rel grossen Wellenlängen funktionieren, verschwenden dann aber viel Energie beim hochfrequenten Licht. Deshalb werden effiziente Solarzellen, wie sie im Weltraum benutzt werden mehrschichtig aufgebaut, wobei jede Schicht eine andere Grundenergie benötigt. So kann man dann effizientere Solarzellen bauen. Es ist klar, dass solche Zellen dann auch viel teurer sind und nur Sinn machen, wenn man Platzprobleme hat, denn für den gleichen Preis bekommt man mehr Leistung aus konventioneller einschichtiger Bauweise. Soviel ich weiss sind dreischichte heute das übliche bei Weltraumzellen...
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Pyroboros



Anmeldedatum: 02.09.2008
Beiträge: 3

BeitragVerfasst am: Mo Sep 08, 2008 10:27 pm    Titel: Antworten mit Zitat

Die Vorstellung das die Elektronen von ihrem Kern getrennt werde ist nicht richtig und führt in die Irre.

Tatsachlich ist es so das in einem N-Dotirten Siliziumkristall zwichen denn Atomen freie Ladungsträger vorhanden sind.

In eine P-Dotirtenkristall fehlen dagegen noch elektronen.

Bringt man nun beide zusammen wandern die freien Elektrone der N-Schicht (negative Ladung) in die Löcher der P-Schicht (Positive Ladung).
Es baut sich eine Sperrschicht die die Ladungen von einander "Isoliert".
Die Elektronen haben genug energie um eine Sperrschicht von 0,7 Volt (bei Silizium) aufzubauen.

Diese Sannung von 0,7 V ist an jeder Diode im Leerlauf vorhanden, kann aber keinen Stom treiben da die Sperrschicht sich fast sofort unter Belastung wieder abbaut.

Wird denn Elektronen jetzt jedoch Energie zugefürt z.B. durch Sonnenlicht so wird die Sperrschicht unter Belastung kontinuirlich wieder Aufgebaut, Es fliest ein Stom.

Der Stom denn eine Zelle liefern kann ist von der Fläche abhängig.
Jedoch nicht die Spannung, die ist immer 0,7 V und kann nur durch Reihenschaltung der Zellen erhöt werden.

Hoffe es hilft.
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Andi



Anmeldedatum: 05.04.2004
Beiträge: 1925

BeitragVerfasst am: Di Sep 09, 2008 5:20 pm    Titel: Antworten mit Zitat

Sorry, aber die Spannung einer Solarzelle ist nicht stur bei 0,7 Volt festgenagelt.
Wenn ich das richtig verstanden habe "schlägt" das Licht Elektronen aus der dicken Schicht in der Mitte und erzeugt damit ein (freies) Elektron und ein zugehöriges Loch.
Der starke n-p-Übergang an der Vorderseite Seite zieht jetzt die Elektronen an, wärend die Löcher in entgegengesetzer Richtung zur Rückseite wandern.
Jetzt fließen die Elektronen zum zwecke des Potentialausgleiches von der Vorderseite der Solarzelle über die angebrachten Metallkontakte zur Rückseite und es fließt Strom.
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uli.paul



Anmeldedatum: 04.02.2006
Beiträge: 669
Wohnort: Augsburg

BeitragVerfasst am: Mi Sep 10, 2008 4:48 am    Titel: Antworten mit Zitat

Diese 0,7V der Sperrschicht sind nur die halbe Miete. Wie schon oben festgestellt, ist der Effekt ein quantenmechanischer. Aber eines wurde in obiger Beschreibung vergessen: Die Restenergie, die übrigbleibt, nachdem das Photon absorbiert wurde.

Sie darf nicht unterschätzt werden, da sie für die "Wanderung" der Ladungsträger verantwortlich ist, sprich, dass sie sich entgegen des elektrostatischen Feldes bis zu Elektrode bewegen können. Das trifft natürlich nur für die "Solarzellen"-Konfiguration zu, in der er es keine äußere Spannungsquelle gibt.

Das bewirkt den Anstieg der Spannung bei höheren Beleuchtungsstärken - auch ohne Last. Denn der innere Widerstand darf nicht vergessen werden. Unter Last macht er sich natürlich entsprechend mehr bemerkbar.
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