Die Simulation veranschaulicht, wie sich Diffusion und Drift auf die räumliche Verteilung von Ladungsträgern auswirken – zwei Prozesse, die für das Verständnis von Solarzellen grundlegend sind.
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Beschreibung der Animation
In einem beleuchteten Halbleitermaterial entstehen freie Ladungsträger: Elektronen und Löcher. Beide bewegen sich zunächst zufällig durch das Material (Diffusion). Löcher entstehen, wenn Elektronen ihren Gitterplatz verlassen – sie wandern, indem benachbarte Elektronen nachrücken. Elektronen- und Löcherstrom sind dabei entgegengesetzt gerichtet.
Am PN-Übergang im Inneren einer Solarzelle wirkt ein elektrisches Feld – die Raumladungszone (RLZ). Dieses Feld entsteht durch die unterschiedliche Dotierung beider Seiten und lenkt die Ladungsträger gezielt ab: Elektronen zur positiven, Löcher zur negativen Seite (Drift).
Ladungsträger haben eine begrenzte Lebensdauer τ zwischen Erzeugung und Rekombination. Je länger die Lebensdauer, desto größer die Diffusionslänge L – also die Strecke, die ein Träger im Mittel zurücklegt:
\[ L = \sqrt{D \cdot \tau} \]
Mit:
- \( L \) – Diffusionslänge
- \( D \) – Diffusionskoeffizient
- \( \tau \) – Lebensdauer
In der Animation lässt sich beobachten: Bei kurzer Lebensdauer verlassen die Teilchen kaum den Entstehungsort. Bei längerer Lebensdauer steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Träger die Raumladungszone erreichen und dort durch Drift getrennt werden – was sich als Spannung an den Kontakten bemerkbar macht.
Hinweis: Es handelt sich um ein Analogiemodell. Die Diffusion wird als Bewegung mit zufälliger, aber konstanter Richtung dargestellt; in der Realität ändert sich die Richtung fortlaufend. Weitere Vereinfachungen betreffen die Rekombination und die genaue Feldverteilung in der RLZ.
Physikalischer Hintergrund
Beim Beleuchten eines Halbleiters werden Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband gehoben, wodurch Elektron-Loch-Paare entstehen. Die diffundierenden Träger, die die Raumladungszone erreichen, werden durch das eingebaute elektrische Feld getrennt und zu den jeweiligen Kontakten abgeführt – so entsteht eine nutzbare elektrische Spannung. Je kleiner die Rekombinationsrate und je größer die Diffusionslänge, desto effizienter arbeitet die Solarzelle.
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Web-Animationen
Überblick
| Titel | Solarzelle – Diffusion und Drift |
| Zielgruppe | Lehrer/innen und Vortragende |
| Features | Vollbildmodus verlustfreie Vergrößerung Großbildschirme und Leinwände unterstützt |
| Lizenz | MIT |