Sexl Physik 7, Schulbuch

3.3 Optoelektronische Bauelemente Mittels Halbleiterbauelementen kann einerseits Licht in Elektrizität (mit Photodio- den und Solarzellen) und andererseits Elektrizität in Licht (mit Leuchtdioden oder Halbleiterlasern) umgewandelt werden. Im Folgenden sollen einige Beispiele für grundlegende Anwendungen vorgestellt werden: Photodioden finden ihre Anwendung z. B. in der Lichtmessung (Kameras), bei Lichtschranken und in der Steuerung von TV-Geräten mittels Infrarot-Fernbedien- ungen (Empfang von mit Licht übertragener Information) ( 32.1 ). Solarzellen – auch photovoltaische Zellen genannt – sind für ihren Zweck opti- mierte großflächige Photodioden ( 32.2 ). Sie werden jedoch nicht wie Photodio- den als Strahlungsdetektoren, sondern als Stromquellen betrieben. Solarzellen sind elektrische Bauelemente, die (Sonnen)Licht direkt in elektrische Energie um- wandeln. 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 an der p-Seite bewirken. Es entsteht eine Potentialdifferenz. Der für die Funktion der Solarzelle grundle- gende physikalische Vorgang ist der Photoeffekt (siehe Kapitel Quantenmechanik). Der Wirkungsgrad von kommerziellen Solarzellen liegt zwischen 10 und 20% . Zurzeit werden etwa 90% aller Solarzellen aus dem Halbleitermaterial Silicium hergestellt. Geforscht wird aber auch an der Entwicklung von organischen Solar- zellen ( 32.4 ), die aus Kohlenwasserstoffverbindungen (Kunststoffen) bestehen. Man verspricht sich davon günstigere Produktionskosten. Experiment: Solarzelle 32.1 E 1 Unter physikplus.oebv.at findest du interessante Experimente zur Solarzelle. Untersuche, überlege, forsche: Solarzelle 32.1 Bei der kommerziellen Herstellung von Solarzellen sollen drei Forderungen gleich- zeitig erfüllt werden: Hoher Wirkungsgrad, niedrige Kosten, lange Lebensdauer. S 1 a) Sammle Informationen über den aktuellen Forschungsstand bei der Ent- wicklung von Solarzellen. Was ist im Moment technisch umsetzbar? Welche Pro- bleme gibt es? S 1 b) Erkundige dich über den derzeitigen Einsatz von Solartechnik in Öster- reich. In welchen Bereichen werden Solarzellen eingesetzt? Bei Leuchtdioden ( „light emitting diode“ , LED ) (siehe auch Seite 30 und Abbildung 33.1 und 34.3 ) läuft der zur Solarzelle umgekehrte Vorgang ab. Fließt durch die Diode elektrischer Strom, so strahlt die Diode in Abhängigkeit vom Material und der Dotierung Licht in unterschiedlichen Wellenlängen aus. LEDs werden als Anzeigeelemente und als Leuchtmittel (Raum- oder Straßenbeleuchtung, Wechsel- verkehrszeichen, Fahrradlichter, …) eingesetzt. Außerdem werden LEDs zur Hin- tergrundbeleuchtung von LCD-Bildschirmen verwendet. LED-Lampen : Früher dominierten im Wohnbereich elektrische Glühbirnen als Leuchtmittel. Mit dem kontinuierlichen Spektrum des metallischen Glühfadens ist eine gute Wiedergabe aller Farben möglich. Allerdings werden im Betrieb nur etwa 5% der Energie in Licht, aber 95% in Wärme umgewandelt. Daher dürfen die- se Lampen (außer Restbeständen) seit 2012 EU-weit nicht mehr verkauft werden. Energiesparlampen waren ein kurzfristiger Ersatz, jedoch enthalten sie Spuren von Quecksilber und können dadurch die Umwelt schädigen. Durch die Entwick- lung leistungsstarker blauer LEDs – wofür im Herbst 2014 drei japanische Forscher den Nobelpreis erhielten – wurden kompakte LED-Lampen mit guter Farbwieder- gabe möglich. Für die gleiche Lichtleistung benötigen sie derzeit etwa 15% des elektrischen Leistungsbedarfs von Glühlampen, sie sind frei von Quecksilber. Wie bei Leuchtstofflampen wird das primär erzeugte kurzwellige Licht durch fluores- zierende Materialien in Licht mit einem kontinuierlichem Spektrum umgewandelt, das eine gute Farbwiedergabe beleuchteter Objekte ermöglicht. ( 33.1 ) Deckelektrode n (Bor) 0,3 m 1 m ~300 m pn p (Arsen) Rückseitenelektrode µ µ µ 32.2 Aufbau der Solarzelle: durchsichtige Deckelektrode, dünne n-leitende Schicht, pn-Übergang, p-leitende Schicht, Elektrode. 32.3 Solaranlage als Lärmschutzwand 32.4 Diese organische Solarzelle ist auf einer Folie aufgebracht. 32.1 Die Fernsteuerung von TV-Geräten er- folgt mit infraroten Lichtsignalen. Sie sind mit freiem Auge nicht sichtbar, doch sind Digitalka- meras auch für infrarotes Licht empfindlich und zeigen die Lichtblitze. Kannst du dies mit der Kamera deines Handys nachweisen? 32 ERWEITERUNG Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv