3.3 Optoelektronische Bauelemente Mittels Halbleiterbauelementen kann einerseits Licht in Elektrizität (mit Photodioden und Solarzellen) und andererseits Elektrizität in Licht (mit Leuchtdioden oder Halbleiterlasern) umgewandelt werden. Im Folgenden werden einige Beispiele für grundlegende Anwendungen vorgestellt: Photodioden finden ihre Anwendung z. B. in der Lichtmessung (Kameras), bei Lichtschranken und in der Steuerung von Fernsehgeräten mittels Infrarot-Fernbedienungen (Empfang von mit Licht übertragener Information) (38.1). Solarzellen – auch photovoltaische Zellen genannt – sind für ihren Zweck optimierte großflächige Photodioden (38.2). Sie werden jedoch nicht als Strahlungsdetektoren, sondern als Stromquellen betrieben. Solarzellen sind elektrische Bauelemente, die (Sonnen)Licht direkt in elektrische Energie umwandeln. Durch Lichteinfall werden Paare freier Ladungsträger erzeugt, die durch das elektrische Feld der Sperrschicht getrennt werden und einen Überschuss an negativer Ladung auf der n-Seite und an positiver Ladung auf der p-Seite bewirken. Es entsteht eine Spannung. Der für die Funktion der Solarzelle grundlegende physikalische Vorgang ist der Photoeffekt (siehe Kapitel Quantenmechanik). Zurzeit werden etwa 90 % aller Solarzellen aus dem Halbleitermaterial Silicium hergestellt. Geforscht wird aber auch an der Entwicklung von organischen Solarzellen (38.3), die aus Kohlenwasserstoffverbindungen bestehen. Man verspricht sich davon geringere Produktionskosten. Untersuche, überlege, forsche: Solarzellen 38.1 Bei der Herstellung von Solarzellen sollen drei Forderungen gleichzeitig erfüllt werden: Hoher Wirkungsgrad, niedrige Kosten, lange Lebensdauer. S1 a) Sammle Informationen über den aktuellen Forschungsstand bei der Entwicklung von Solarzellen. Welche Möglichkeiten der technischen Umsetzbarkeit gibt es aktuell? Wie schätzt du die diesbezüglich existierenden Probleme (z. B. im Bereich der Entsorgung oder der Wiederverwertung von Rohstoffen) ein? S1 b) Erkundige dich über den derzeitigen Einsatz von Solartechnik in Österreich. In welchen Bereichen werden Solarzellen eingesetzt? E1 c) Im digitalen Zusatzmaterial findest du Experimente zur Solarzelle. 38.1 Die Fernsteuerung von Fernsehgeräten erfolgt mit infraroten Lichtsignalen. Diese sind mit freiem Auge nicht sichtbar, doch sind manche Digitalkameras auch für infrarotes Licht empfindlich und zeigen die Lichtblitze. Kannst du dies mit der Kamera deines Handys nachweisen? 38.2 Aufbau der Solarzelle: durchsichtige Deckelektrode, dünne n-leitende Schicht, pn-Übergang, p-leitende Schicht, Elektrode. Deckelektrode n (Bor) 0,3 m 1 m ~300 m pn p (Arsen) Rückseitenelektrode µ µ µ 38.3 Organische Solarzellen bestehen zur Gänze aus organischen Materialien. Diese organische Solarzelle ist auf einer Folie aufgebracht. Das Bild zeigt eine Wissenschafterin, die organisches Material hält, bevor (rechts) und nachdem (links) die photovoltaische Schicht aufgetragen wurde. 38.4 Photovoltaikanlage als Lärmschutzwand Photovoltaikanlagen In einer Photovoltaikanlage (PV-Anlage) wird mittels Solarzellen Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt. Wurden PV-Anlagen anfangs nur in der Raumfahrt zur Energieversorgung eingesetzt, so finden sich jetzt Solarmodule (= in Reihe oder parallel geschaltete Solarzellen) auf vielen Dächern und Freiflächen. Im Jahr 2023 wurden bereits 5,5 % der weltweiten Stromerzeugung mit Photovoltaikanlagen umgesetzt. Ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 20 % und ist von der Sonneneinstrahlung und der Temperatur abhängig. Die Ökobilanz von PV-Anlagen wird dadurch bestimmt, dass bei ihrem Einsatz hauptsächlich Emissionen von anderen Kraftwerken (z. B. Gas- oder Kohle) vermieden werden. Diese werden mit den Emissionen, die bei Herstellung, Betrieb und Entsorgung von PV-Anlagen entstehen, gegengerechnet. Nach 1–2 Jahren haben PV-Anlagen so viel Energie produziert, wie für Herstellung, Betrieb und Entsorgung aufgewendet werden muss. Die größte PV-Anlage in Österreich befindet sich derzeit am Flughafen Wien. Mit 55 000 Modulen erzeugt sie ca. 30 GWh pro Jahr. Untersuche, überlege, forsche: Photovoltaikanlagen 38.2 W2 a) Sammle Informationen über die Funktionsweise und den Einsatz von Photovoltaikanlagen. S3 b) Informiere dich über Vor- und Nachteile beim Einsatz von Photovoltaikanlagen allgemein oder z.B. auf privaten Hausdächern und bewerte, ob deren Einsatz sinnvoll ist. 38 Erweiterung 3 Halbleiter y3k96u Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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