Elektrische Leitungsvorgänge und Effekte

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Photovoltaik nutzbringender Leitungsvorgang
• Bändermodell in Festkörpern – Erklärung der Leitfähigkeit
• Elektrische Leiter
• Isolatoren
• Halbleiter
• Dotierung von Halbleitern
• Thermoelektrische Effekte

Photovoltaik nutzbringender Leitungsvorgang

Sicher hast du auf Hausdächern schon häufig Solarzellen gesehen. Diese finden Anwendung in der Photovoltaik, einer Technik, die Sonnenlicht in Strom umwandelt. Solarzellen nutzen die Sonnenenergie als erneuerbare Energiequelle um Strom zu erzeugen. Um zu verstehen, wie das funktioniert, muss du dich zunächst mit dem Bändermodell vertraut machen.

Bändermodell in Festkörpern – Erklärung der Leitfähigkeit

In einem einzelnen Atom können die Elektronen stets nur diskrete Energieniveaus besetzen. Verbinden sich allerdings mehrere Atome zu einem relativ starren Atomgitter, bilden sie einen Festkörper. Die Elektronen der einzelnen Atome im Gitter können dann aufgrund elektromagnetischer Kräfte miteinander wechselwirken. Dies führt dazu, dass die zunächst diskreten Energieniveaus "aufweichen" und verschwimmen (die quantenmechanische Wellenfunktionen der Elektronen überlappen). Im Festkörper bilden sich daher breite Energiebänder aus, die quasi-kontinuierlich von Elektronen besetzt sind.

Im Bändermodell sind die meisten Energiebänder ohne Bedeutung, da die Elektronen, die diese Bänder besetzten, sehr stark an den positiv geladen Atomkern gebunden und damit unbeweglich sind. Für die Leitfähigkeit eines Körpers von Interesse sind daher nur:

• das Valenzband: das Band mit der höchster Energie, dass bei einer Temperatur von $0\,$Kelvin voll besetzt ist.
• das Leitungsband: Dieses befindet sich energetisch noch über dem Valenzband und ist entweder nur teilweise besetzt oder gar leer.
• die Energielücke zwischen Leitungs- und Valenzband: Diese ist maßgebend dafür, ob ein Festkörper ein Leiter, Halbleiter oder Isolator ist.

Elektrische Leiter

Elektrische Leiter wie die meisten Metalle haben die Eigenschaft, dass sie Strom leiten können. Im Bändermodell bedeutet dies, dass das Leitungsband selbst bei $0\,$Kelvin teilweise besetzt ist. Die Elektronen im Leitungsband haben daher genug "Platz" sich frei zu bewegen. Wird eine äußere Spannung an einen Leiter angelegt, folgen die freien Elektronen des Leitungsband dem Potential und es fließt Strom. Bei steigender Temperatur sinkt die Leitfähigkeit, da die Elektronen die Wärmeenergie nutzen, um vom Valenzband in das Leitungsband zu springen und sich das Valenzband immer mehr leert.

Isolatoren

Isolatoren wie Gummi oder Keramik haben ein leeres Leitungsband, also keine freien Elektronen, die zum Stromfluss beitragen könnten. Das energetisch darunter befindliche Valenzband ist per Definition voll besetzt mit Elektronen, die folglich ebenfalls keinen Platz haben sich zu bewegen. Da die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband zu groß ist (>$3\,$eV), kann außerdem kein Elektron vom Valenz- ins Leitungsband springen. Isolatoren leiten folglich keinen Strom.

Halbleiter

Halbleiter wie Silizium oder Germanium sind Grundlage der Solarzellen. Sie haben wie Isolatoren bei $0\,$Kelvin ebenfalls ein leeres Leitungsband und eine Energielücke zum Valenzband. Diese ist allerdings kleiner als bei den Isolatoren (bei Silizium $1,3\,$eV). Elektronen des Valenzbands können Energie des Sonnenlichts oder Wärmeenergie aufnehmen und die Energielücke überspringen. Dann befindet sich ein freibewegliches Elektron im Leitungsband (n-Leitung). Im Valenzband verbleibt ein Loch, das sich ebenfalls frei bewegen kann (p-Leitung). Halbleiter können unter diesen Voraussetzungen Strom leiten. Die Eigenleitung eines Halbleiters steigt mit der Bestrahlungsstärke (Sonne im Sommer) und der Temperatur. Ein Stromfluss entsteht aber auch bei Halbleitern nur, wenn eine elektrische Spannung angelegt ist.

Dotierung von Halbleitern

Damit aus einem Halbleiter eine Solarzelle wird, die eigenständig Strom produziert, muss das zugrunde liegende Halbleitermaterial dotiert werden. Das bedeutet, dass dem Halbleiter Fremdatome mit anderer Elektronenkonfiguration injiziert werden. Er wird bewusst mit Störstellen verunreinigt, um seine elektrische Leitfähigkeit manipulieren und steuern zu können. Wird das vierwertige Silizium beispielsweise mit fünfwertigem Phosphor versetzt, so ist ein Außenelektron des Phosphors ungebunden und kann sehr leicht ins Leitungsband springen. Man spricht von n-Dotierung. Dreiwertiges Aluminium hingegen erzeugt in Silizium eingebracht ein zusätzliches Loch (p-Dotierung). Eine Solarzelle entsteht schließlich, wenn eine p-dotierte und eine n-dotierte Schicht zusammengebracht werden. Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl von Elektronen bzw. Löchern in den Schichten bildet sich eine intrinsische elektrische Spannung. Wird dieser p-n-Halbleiter und mit Sonnenlicht bestrahlt, erzeugt er eigenständig Strom.

Thermoelektrische Effekte

In einem Stromkreis, der aus zwei verschiedenen Metallen als Leiter besteht, kann es zu verschiedenen thermoelektrischen Effekten kommen:

• Der Seebeck-Effekt tritt auf, wenn die beiden Leitungsmetalle des Stromkreises eine unterschiedliche Temperatur aufweisen. Durch den Seebeck-Effekt wird dann eine Spannung ausgebildet.
• Der Peltier-Effekt ist die Umkehrung des Seebeck-Effektes. Wird an einen Stromkreis mit zwei unterschiedlichen Metallen als Leiter eine Spannung angelegt, bildet sich ein Temperaturgradient aus, also werden die Kontakte des Stromkreises unterschiedlich warm.

Beide Effekte treten dabei häufiger gemeinsam in einem solchen Stromkreis auf.

Auch in bestimmten Kristallen kann es zu thermoelektrischen Effekten kommen:

• Der pyroelektrische Effekt tritt bei Kristallen auf, die permanente elektrischen Dipole mit gleicher Richtung aufweisen. Ändert man die Temperatur eines solchen Kristalls durch Erwärmung oder Abkühlung, laden sich alle gegenüberliegenden Flächen des Kristalls unterschiedlich auf.
• Der piezoelektrische Effekt tritt zum Einen bei allen Kristallen auf, bei denen auch der pyroelektrische Effekt auftritt, aber auch noch bei weiteren Kristallen. Übt man mechanischen Druck auf einen solchen Kristall aus, verformt sich dieser und es wir eine Spannung ausgebildet. Dieser Effekt lässt sich auch umgekehrt ausführen. Man spricht dann vom inversen piezoelektrischen Effekt.