Halbleiterdiode

Elektronik

Halbleiterdiode

  • Woraus bestehen eigentlich Dioden?
  • Welche besonderen Eigenschaften haben Dioden?
  • Wie funktionieren Leuchtdioden?
  • Warum benutzt man statt Glühbirnen heute Leuchtdioden?

Zenerdiode

Bei normalen Siliziumdioden fließt beim Anlegen einer Sperrspannung nur ein kleiner Sperrstrom in der Größenordnung von einigen \({\rm{nA}}\). Wählt man die Sperrspannung jedoch groß genug, so werden Elektronen durch die starken elektrischen Kräfte aus den Gitterbindungen gerissen, wobei natürlich auch eine äquivalente Zahl von Löchern entsteht. Der Sperrstrom wächst schlagartig an, man spricht vom sogenannten Zenereffekt. Erhöht man die Spannung weiter (etwa größer als ca. \(5{\rm{V}}\) in Sperrrichtung), so werden die beim Zenereffekt entstandenen Elektronen so stark beschleunigt, dass sie ihrerseits weitere Elektronen aus Bindung herausschlagen. Es kommt zu einem Lawineneffekt.

Normale Siliziumdioden werden bei zu hohen Sperrspannungen zerstört. Ein besonderer Diodentyp, die Zenerdiode, hält jedoch die hohen Sperrspannungen aus. Für die Zenerdioden wählt man das gegenüber der normalen Diode leicht abgewandelte Schaltzeichen (schwarz in nebenstehender Skizze. Die Bilder oberhalb und unterhalb des Symbols zeigen Ausführungsformen von Zenerdioden.

Im nebenstehenden Diagramm ist die Kennlinie der Zenerdiode dargestellt. Im Durchlassbereich verhält sich die Zenerdiode wie eine gewöhnliche Siliziumdiode (Schwellenspannung bei ca. \(0,7{\rm{V}}\)). Im Sperrbereich knickt die Kennlinie bei der sogenannten Zenerspannung \({U_{\rm{Z}}}\) extrem steil ab. Im Handel sind Zenerdioden mit den verschiedensten Werten für \({U_{\rm{Z}}}\) erhältlich.

Spannungsstabilisierung

In Sperrrichtung gepolte Zenerdioden benutzt man häufig zur Stabilisierung von Spannungen. Dies kann mit der folgenden Schaltung nachgewiesen werden:

Die verwendete Zenerdiode besitzt eine Zenerspannung von \({U_{\rm{Z}}} = 5,6{\rm{V}}\). Der maximale Strom durch die Diode soll \({I_{{\rm{Z}}{\rm{,max}}}} = 40{\rm{mA}}\) nicht überschreiten.

Variiert man die Spannung \(U_1\) z.B. im Bereich von \(6{\rm{V}}\) bis \(10{\rm{V}}\), so zeigt die Spannung \(U_2\) immer den gleichen Wert von \(5,6{\rm{V}}\) an.

Erläuterung: An der Quelle mit der Spannung \(U_1\) liegt eine Serienschaltung aus Widerstand und in Sperrrichtung gepolter Zenerdiode. Kommt die an der Zenerdiode anliegende Spannung in den Bereich von \({U_{\rm{Z}}}\), so leitet die Diode (es wird der linke Knick in der Kennlinie erreicht) und es ist ein größerer Stromfluss möglich. Dadurch fällt am Widerstand \(R\) wegen \({U_{\rm{R}}} = I \cdot R\) eine größere Spannung ab und die Spannung an der Diode bleibt konstant.

Verständnisaufgabe

Berechne den Wert für \(R\) so, dass die obige Zenerdiode nicht zerstört wird.

Lösung

Die verwendete Zenerdiode besitzt eine Zenerspannung von \({U_{\rm{Z}}} = 5,6{\rm{V}}\). Der maximale Strom durch die Diode soll \({I_{{\rm{Z}}{\rm{,max}}}} = 40{\rm{mA}}\) nicht überschreiten. Für die am Widerstand \(R\) abfallende Spannung gilt:
\[{U_{\rm{R}}} = {U_{{\rm{1}}{\rm{,max}}}} - {U_{\rm{Z}}}\]
Ersetzt man \({U_{\rm{R}}}\) durch das Produkt aus \(R\) und \({I_{{\rm{Z}}{\rm{,max}}}}\) so lässt sich \(R\) berechnen:
\[{I_{{\rm{Z}}{\rm{,max}}}} \cdot R = {U_{{\rm{1}}{\rm{,max}}}} - {U_{\rm{Z}}} \Leftrightarrow R = \frac{{{U_{{\rm{1}}{\rm{,max}}}} - {U_{\rm{Z}}}}}{{{I_{{\rm{Z}}{\rm{,max}}}}}} \Rightarrow R = \frac{{10{\rm{V}} - 5,6{\rm{V}}}}{{40 \cdot {{10}^{ - 3}}{\rm{A}}}} = 110{\rm{\Omega }}\]

Einsatz und Wirtschaftlichkeit von Solarzellen

Vorteile
Nachteile
  • Photovoltaische Anlagen (wie auch andere Solarenergieanlagen) nutzen die in menschlichen Zeiträumen unerschöpfliche Sonnenenergie.
  • Solarzellen sind im Betrieb (nicht aber bei der Herstellung!) emissionsfrei (außer eventuell optische Beeinträchtigung durch unerwünschte Reflexionen).
  • Photovoltaik ist flexibel einsetzbar. Die Leistungen reichen von Milliwatt (z.B. bei Armbanduhren) bis zu Megawatt (bei Solarkraftwerken).
  • Photovoltaische Zellen nutzen auch diffuses Licht und auch Licht im Innern von Gebäuden.
  • Die Leistungsdichte (Watt pro Quadratmeter) ist gering und der Flächenbedarf deshalb groß.
  • Die Stromproduktion hängt von der Tageszeit und vom Wetter ab. Für ununterbrochene Stromabgabe sind aufwendige Energiespeichervorrichtungen erforderlich.
  • Es wird Gleichstrom erzeugt. Für Stromeinspeisung ins Netz sind Wechselrichter notwendig, die den Gesamtwirkungsgrad der Anlage reduzieren. 
  • Die Herstellung der Photovoltaikzellen ist sehr energieaufwendig und mit beträchtlichen Schadstoffemissionen verbunden.

Erntefaktor

In den Anfangsjahren der Photovoltaik war die Produktion von Solarzellen so aufwendig, dass mehr Energie eingesetzt werden musste, als tatsächlich damit geerntet wurde. Dies hat sich in den vergangenen Jahren jedoch geändert. Die sog. energetische Amortisationszeit von Solarzellen beschreibt den Zeitraum, der nötig ist, um die zur Produktion aufgewendete Energie wieder "zu ernten". Vergleicht man die "Produktionsenergie" einer Solarzelle mit der über ihre Lebensdauer gewonnenen elektrischen Energie, so ergibt sich der Erntefaktor. Erntefaktoren und Amortisationszeiten sind unter anderem vom Standort und dem Zellentypus abhängig.

Der Energieaufwand für die Herstellung einer Energieerzeugungsanlage lässt sich am anschaulichsten durch die sogenannte "energetische Amortisationszeit" oder "Energierückflusszeit" ausdrücken, d.h. die Zeit, welche die Anlage benötigt, um die für ihre Herstellung aufgewendete Energie zurückzuliefern.

Die energetische Amortisationszeit wird von Photovoltaikfans mit 3 bis 5 Jahren angegeben, von neutralen Quellen wird sie mit etwa 5 bis 9 Jahren für Mitteleuropäische Standorte angegeben. Bei diesen Berechnungen fehlt allerdings jeweils die Energiekosten für die Entsorgung der Photozellen und der Energieaufwand zur zusätzlichen Bereitstellung von Energiequellen oder Energiespeichermedien für die Zeiten in denen die Sonne nicht scheint. Geht man von einer Lebensdauer von 20 Jahren aus, so liegt der Erntefaktor unter günstigsten Umständen bei etwa 3.

Inselanlagen

Inselanlagen werden dort eingesetzt, wo kein öffentliches Versorgungsnetz vorhanden ist und es sehr aufwendig bzw. kostspielig wäre, eine Anbindung an ein solches herzustellen, zum Beispiel bei Aussiedlerhöfen, aber auch bei Schrebergartenlauben oder Ferienhäusern.

Inselanlagen benötigen einen Speicher, damit in der Nacht und während strahlungsärmeren Zeiten die erforderliche Energie zur Verfügung steht. Licht braucht man nun mal leider meistens dann, wenn keine Sonne scheint. Hierfür geeignet sind sogenannte Solarakkumulatoren. Diese haben hohe Zyklenfestigkeit aus, die aufgrund des schwankenden Strahlungsangebotes wichtig ist. Um den Akkumulator vor Schäden durch Über- bzw. Tiefentladung zu schützen, ist die Installation eines Ladereglers zwischen Solargenerator und Akkumulator notwendig. Dieser verhindert auch die nächtliche Entladung des Akkumulators über den Solargenerator.

Gleichstromtaugliche Geräte, z.B. aus dem Automobilzubehörsektor, können direkt betrieben werden, sofern die Betriebsspannung übereinstimmt. Sollen Verbraucher versorgt werden, die Wechselspannung benötigen, ist zusätzlich noch ein Wechselrichter erforderlich.

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen

Der erzeugte Solarstrom wird in das öffentliche Netz eingespeist, vom Energieversorgungsunternehmen (EVU) bezogen und hoch subventioniert vergütet. Üblicherweise werden Lieferung und Bezug mit dem EVU über 2 getrennte Zähleinrichtungen (Einspeisezähler für die Lieferung von der Solaranlage an das EVU, Bezugszähler für die Lieferung des EVU an den Anlagenbetreiber) festgehalten. Voraussetzung für die Netzkopplung ist die Installation eines Wechselrichters, der die vom Solargenerator erzeugte Gleichspannung in eine netzkonforme Wechselspannung umwandelt. Der Wechselrichter passt sich automatisch den Begebenheiten an und betreibt die Anlage immer mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad. Außerdem verfügt er über eine selbsttätige Ein- und Ausschaltfunktion (ENS).

Unter der Adresse: http://www.das-anlegerportal.de/dateien/photovoltaik.swf können Sie sich auch einen kleinen Flash-Film ansehen der sehr schön die Funktionsweise erläutert.

Wenn Sie sich über Solarzellen noch ausführlicher informieren wollen, so können wir ihnen eine Seite von "Welt der Physik" der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) empfehlen. Hier erfahren Sie mehr über die Entwicklung von Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad.

Leuchtdioden (LED) - Fortführung

Leuchtdioden aus Halbleitern

Hinweis: Die Daten wurden zum Teil der informativen Seite http://www.led-info.de entnommen.

Leuchtdioden sind meist sogenannte III/V-Halbleiter, d.h. sie sind aus Elementen der 3. und 5. Gruppe des Periodensystems aufgebaut. Dazu gehören Stoffe wie Galliumphosphid (GaP), Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) oder Indiumgalliumnitrid (InGaN). Der Grund hierfür ist, dass die energetischen Verhältnisse in diesen Halbleitern gerade so sind, dass bei der Rekombination eines Elektrons mit einem Loch Licht entsteht, das im sichtbaren Bereich liegt.
Die Leuchtfarbe einer LED wird durch die Wahl des Materials für die p- und n-Schicht sowie durch Art und Konzentration der Dotieratome bestimmt.

Aufbau einer Leuchtdiode

Aufbau einer LED
Abb.
2
Aufbau einer LED

Ausgangspunkt für die Herstellung von Leuchtdioden (LEDs) ist ein Halbleiterkristall. Dieser Einkristall enthält noch Verunreinigungen und Gitterfehlstellen, die dazu führen würden, dass die Rekombination eines Elektrons mit einem Loch nicht zur Aussendung von Licht führen würde und somit der Wirkungsgrad der LED schlecht wäre.

Daher bringt man auf diesen Kristall unterschiedlich dotierte Schichten auf, welche die geforderten Ausstrahlungseigenschaften haben. Dies geschieht in einem sogenannten Epitaxieverfahren, auf das wir nicht näher eingehen.

Nachdem der pn-Übergang erstellt wurde, müssen noch Kontakte zu dem Halbleiterplättchen hergestellt werden. Dazu wird auf seine Unterseite ein Metallplättchen geklebt oder legiert und die Oberseite mit einem Golddraht kontaktiert. Schließlich wird die Lumineszenzdiode in einen Kunststoff eingegossen. Das durchsichtige Plastikgehäuse dient zum Schutz der Lumineszenzdiode, bestimmt deren Abstrahlcharakteristik und verbessert die Lichtaustrittsverhältnisse. 

Schematischer Aufbau einer AlInGaP-Leuchtdiode

Die nebenstehende Abbildung zeigt schematisch den Aufbau einer AlInGaP-Leuchtdiode. Diese Diode sendet Licht im gelben bis roten Bereich des Spektrums aus.

Wirkungsgrad und Anwendung

Hinweis: Die Daten wurden zum Teil der informativen Seite http://www.led-info.de entnommen.

Effizienz von Leuchtdioden

Die ersten kommerziellen Leuchtdioden kamen 1962 auf den Markt. Erste Anwendungen fanden sich bei der Ziffernanzeige in Taschenrechnern und Uhren. Aufgrund des damals noch relativ hohen Strombedarfs mussten die Batterien dieser Geräte häufig gewechselt werden. Heute verwendet man meist Flüssigkeitskristallanzeigen, da diese weniger elektrische Energie erfordern.

Durch ausgereiftere Dotierungs- und Herstellungsverfahren wurde die Effizienz der Leuchtdioden pro Dekade etwa um den Faktor 10 gesteigert. Darüber hinaus ist man heute in der Lage LEDs in fast allen Farben herzustellen.

Hinweis: "Lumen (lm)" ist die Einheit der physikalischen Größe "Lichtstrom". Diese Größe macht eine Aussage über die "Helligkeit" der Lichtquelle. Eine \(60\rm{W}\)-Glühlampe hat einen Lichtstrom von ca. \(1000\rm{lm}\), d.h. eine Effizienz von ca. \(17\frac{{{\rm{lm}}}}{{\rm{W}}}\). Aus dem Diagramm sieht man, dass die neu entwickelten Leuchtdioden schon eine wesentlich höhere Effizienz besitzen und mit zunehmenden Stückzahlen bald auch im Preis konkurrenzfähig sein werden.

Weißlichtdioden

Durch die Effizienzsteigerung in den letzten Jahren werden Leuchtdioden auch für Beleuchtungszwecke interessant. Hierzu dienen in erster Linie Weißlichtdioden. Um mit LEDs weißes Licht zu erzeugen, gibt es zwei verschiedene Verfahren:

Lumineszenz-Konversions-LED

Für die weiße Leuchtdiode wird eine blau oder auch UV emittierende LED mit Lumineszenzfarbstoffen kombiniert. Dazu wird mit einem Tropfen Lumineszenzfarbstoff der in der Reflektorwanne liegende Diodenchip bedeckt. Das kurzwellige und damit energiereichere blaue Licht regt den Farbstoff zum Leuchten an. Dabei wird langwelligeres, energieärmeres gelbes Licht abgegeben. Da nicht das gesamte blaue Licht umgewandelt wird, ergibt die resultierende additive Mischung der Spektralfarben das weiße Licht. Der Farbton der Weißlichtdiode ist über Wahl und Dosierung des Farbstoffes einstellbar.

Multi-LED

LEDs leuchten nur in einem bestimmten, genau abgegrenzten Spektralbereich, sie sind nahezu einfarbig. Weißes Licht kann durch den Einsatz verschiedenfarbiger LED erzeugt werden. Die additive Farbmischung von Rot, Grün und Blau (RGB) oder auch z.B. nur von Blau und Gelb kann neben allen anderen Mischfarben auch weißes Licht erzeugen. In Multi-LEDs werden drei verschiedene LED-Chips in einer LED kombiniert.

Geschichtliche Anmerkung

Für die Entwicklung der blau leuchtenden LED, die eine wesentliche Voraussetzung zur Erzeugung "weißen LED-Lichtes" war, bekamen die drei japanischen Forschern Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura im Jahr 2014 den Nobelpreis für Physik. Die Begründung der Nobel-Jury lautete: ". . . for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources."

Die ersten, rotes Licht aussendenden, LEDs waren schon in den 1960er Jahren bekannt, es folgten schnell LEDs, die in den Farben gelb und grün leuchteten. Als Grundmaterial verwandte man für diese LEDs Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP). Man erkannte sehr bald, dass zur Erzeugung von blauem Licht das Material Galliumnitrid (GaN) geeignet wäre, jedoch hatte man große Probleme bei der Herstellung und Dotierung dieses Materials. Es dauerte Jahrzehnte bis schließlich den japanischen Forschern der Durchbruch gelang.

Eine heute im Handel erhältliche Weißlicht-LED liefert z.B. die gleiche Helligkeit (genauer: den gleichen Lichtstrom) wie eine 65W-Glühlampe, nimmt dabei aber nur eine elektrische Leistung von 10,5W auf. Die Lebensdauer einer Weißlicht-LED wird mit 50000 Stunden angesetzt. Zum Vergleich: eine 65W-Glühlampe hat etwa eine Lebensdauer von 1000 Stunden.

Pulsmessung

Abb. 2 Prinzipbild für Pulsmessung in Transmission
Abb. 1 Fingerclip zur Pulsmessung

In der Anästhesie (ein Patient bekommt eine Narkose), in der Intensivstation und bei der Notfallmedizin ist die dauerhafte Überwachung des Herzschlages (Puls) sehr wichtig. Damit der Arzt nicht ständig den Puls am Handgelenk oder an der Halsschlagader fühlen muss, gibt es Geräte die dies für ihn übernehmen. Eines davon ist der photoelektrische Pulsmesser, der im Weiteren - stark vereinfacht - beschrieben wird.

Wenn du deine Hand gegen eine weiße, sehr helle Lichtquelle hältst, so kannst du beobachten, dass durch die Finger noch etwas rötliches Licht dringt. Ein Finger (oder z.B. auch das Ohrläppchen) wirkt wie ein Lichtfilter, das rotes Licht abgeschwächt passieren lässt, die anderen Lichtfarben aber stark absorbiert. Diese Tatsache nützt man beim optoelektronischen Pulsmesser, der meist als Fingerclip (oder aber auch als Ohrclip) ausgeführt ist, aus.

Als Lichtquelle dient eine Leuchtdiode (LED) die sehr intensives, rotes Licht in einem schmalen Frequenzband aussendet. Als Lichtempfänger (Detektor) verwendet man meist eine Photodiode, in der es bei Bestrahlung zu einem Strom kommt, der als Maß für die Bestrahlungsstärke dient.

3 Funktionsweise eines Pulsmessers

In der Animation in Abb. 3 wird erläutert, wie man mit dieser Anordnung aus LED und Photodiode die Zeitspanne \(T\) zwischen zwei Pulsschlägen und somit die Herzfrequenz ("Pulszahl") ermitteln kann.

Zwischen Leuchtdiode und Photodiode liegt Gewebe, Adern und strömendes Blut. Alle diese Materialien schwächen das von der LED ausgehende Licht und zwar umso mehr, je mehr Material zwischen LED und Photodiode liegt.

Würde das Blut völlig gleichmäßig durch die Arterie und die Vene strömen, so wäre der zeitliche Verlauf der an der Photodiode registrierten Lichtintensität konstant, sofern die von der LED ausgesandte Lichtintensität konstant ist (vgl. Animation: "ohne Pulsation in der Arterie").

Durch die Kontraktion des Herzmuskels strömt das Blut - insbesondere durch die Arterie - nicht gleichmäßig. Mit dem Pulsschlag ändert sich das Blutvolumen in der Arterie (es wird größer). Dadurch ändert sich auch die Intensität des zur Photodiode gelangenden Lichts (vgl. Animation: "mit Pulsation in der Arterie"). Die Intensität des von der Photodiode registrierten Lichts schwankt im Rhythmus der Herzfrequenz (die Lichtabsorption der Adern und des Gewebes bleibt jedoch zeitlich konstant).

Durch eine geeignete elektronische Auswertung kann z.B. die Zeitspanne \(T\) zwischen zwei Stellen minimaler Intensität bei der Photodiode ermittelt und daraus die Herzfrequenz bestimmt werden. Es gilt\[f = \frac{1}{T}\]

Hinweise

Die geringe Pulsation der Vene kann bei unserer vergröbernden Betrachtung außer Acht gelassen werden.

Neuere Pulsmesser arbeiten nicht mehr mit der Durchstrahlung des Fingers, sie werten vielmehr das vom Finger reflektierte Licht aus.

Neben der Messung der Herzfrequenz dient ein Fingerclip meistens auch zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung des Blutes. Man nennt das Gerät dann Pulsoximeter. Wie ein Pulsoximeter arbeitet ist - wiederum stark vereinfacht - für Experten im Folgenden skizziert.

Pulsoximetrie

Die Versorgung der menschlichen Organe und des Körpergewebes mit Sauerstoff zählt zu den wichtigsten Grundfunktionen des Körpers. Gerade in der Notfall- und Intensivmedizin ist die Überwachung des Sauerstoffgehalts im Blut eine wichtige Aufgabe, die seit einiger Zeit von einem Fingerclip übernommen wird, der zudem auch noch die Herzfrequenz feststellen kann.

Der Sauerstofftransport im Blut wird im Wesentlichen durch das Hämoglobin (Hb) besorgt. Durch Anlagerung von Sauerstoff (O2) wird das Hämoglobin zum Oxyhämoglobin (O2Hb). An den Zellen gibt das Oxyhämoglobin den Sauerstoff ab und wird wieder zum Hämoglobin. Sauerstoffreiches Blut ist hellrot, sauerstoffarmes Blut ist dunkelrot bis blau. Mit einem Oximeter kann man diese Farbunterschiede feststellen und mit Hilfe der Elektronik in die Sauerstoffsättigung umrechnen. Im Folgenden wird die Arbeitsweise eines einfachen Oximeters angedeutet.

Abb. 4

Das Diagramm in Abb. 4 zeigt das Absorptionsverhalten von Hb und O2Hb im roten bis infraroten Bereich des Spektrums.

Würde man mit einer Leuchtdiode, die rotes Licht (z.B. mit der Wellenlänge 660 nm) aussendet, einen Finger durchstrahlen, so gelangt ein bestimmter Prozentsatz der eingestrahlten Intensität zur Photodiode. Besitzt das Blut einen hohen Anteil Hämoglobin Hb und einen niederen Anteil Oxyhämoglobin O2Hb (es liegt also ein insgesamt sauerstoffarmes Blut vor), so würde mehr Licht absorbiert als bei sauerstoffreichem Blut (viel O2Hb mit relativ geringer Absorption und wenig Hb mit relativ hoher Absorption).
Da man aber nicht genau weiß, ob z.B. eine relativ hohe Absorption des roten Lichts auf einen hohen Hb-Anteil im Blut oder aber auf eine sehr dicke Gewebeschicht zurückzuführen ist, greift man zu einem Trick: Man durchstrahlt den Finger zusätzlich noch mit einer zweiten Leuchtdiode, die infrarotes Licht (z.B. mit der Wellenlänge 910 nm) aussendet. Aus dem Verhältnis der Absorption des roten und des infraroten Lichts lässt sich nun ein Wert für die Sauerstoffsättigung des Blutes berechnen. Dabei wird jeweils die Absorptionsänderung des Lichts während der Pulsation registriert. Auf diese Weise kann die konstante Lichtabsorption des Gewebes und der Adern unberücksichtigt bleiben. Ein genaueres Eingehen auf die Vorgehensweise würde hier zu weit führen.

 
Abb. 6 Fingerclip zur Pulsmessung
Abb. 5 Pulsoximeter

In Abb. 6 ist der prinzipielle Aufbau des Fingerclips eines Pulsoximeters dargestellt. Die Auswertung der von der Photodiode gelieferten Signale erfolgt durch elektronische Schaltungen, die in einem Kästchen untergebracht sind, welches mit dem Clip durch eine Leitung verbunden ist.

In der Regel zeigen diese Geräte die Pulszahl (Schläge pro Minute) und die Sauerstoffsättigung des Blutes in Prozent an.

Solarmodule

In der Regel reicht die elektrische Leistung einer Solarzelle nicht aus, um in der Praxis sinnvoll eingesetzt werden zu können. Man schaltet daher meist mehrere Solarzellen in Serie (um die Spannung zu erhöhen) und parallel (um die entnehmbare Stromstärke zu erhöhen). Man spricht dann von einem sogenannten Solarmodul. Die Zusammenschaltung mehrerer Solarmodule wird häufig als Solargenerator bezeichnet.

2 Wirkung einer Schutzdiode beim Ausfall einer Solarzelle in einem Solarmodul

Sind mehrere Solarzellen zusammengeschaltet, so kann der Ausfall einer Solarzelle den Betrieb der gesamten Anordnung massiv stören. Durch die Parallelschaltung sogenannter Schutzdioden können defekte Dioden im Schadensfall "überbrückt" werden.

Solarzellen

Zur Herstellung von Solarzellen werden 0,3 mm dünne Scheiben aus einem Siliziumblock herausgesägt. Je nach angewandtem Verfahren besteht dieser Block aus einem einzigen Kristall (aus flüssigem Silizium gezogen). Daraus gefertigte Solarzellen werden daher monokristalline Solarzellen genannt.

 

Bei einem anderen Verfahren ergibt sich bei der Erstarrung des flüssigen Siliziums eine Eisblumenstruktur aus vielen kleineren Kristallen. Daraus gefertigte Zellen werden als polykristallin bezeichnet.

 

Eine kostengünstige Alternative sind sogenannte Dünnschichtzellen, da sie nur extrem wenig Halbleitermaterial benötigen. Die photoaktive Halbleiterschicht wird hierbei auf eine Glasscheibe aufgedampft und mit einer zweiten Glasscheibe abgedichtet. Dieser Zellentyp wird heutzutage vor allem bei Kleingeräten (Taschenrechner o. ä.) angewendet.

Ausführung
Material
Beschreibung
Maximaler Wirkungsgrad der Solarzellen im Labor
Typischer Wirkungsgrad von handelsüblichen Solarmodulen
Zellen Monokristallines Silizium
c-Si
25%
13-16%
Zellen Polykristallines Silizium
mc-Si
20%
12-14%
Dünnfilm Amorphes Silizium
a-Si
14%
6-8%
Dünnfilm Kupfer-Indium-Diselenid
CIS
19%
9-11%
Dünnfilm Cadmiumtellurid
CdTe
16%
7-9%
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