Geschichte & Kultur

Eine atomare Beschreibung von Silizium: Das Siliziummolekül

Kristallines Silizium war das Halbleitermaterial, das in den frühesten erfolgreichen PV-Bauelementen verwendet wurde, und ist bis heute das am weitesten verbreitete PV-Material. Während andere PV-Materialien und -Designs den PV-Effekt auf etwas andere Weise ausnutzen, gibt uns das Verständnis der Funktionsweise des Effekts in kristallinem Silizium ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise in allen Geräten.

Die Rolle von Atomen verstehen

Alle Materie besteht aus Atomen, die wiederum aus positiv geladenen Protonen, negativ geladenen Elektronen und neutralen Neutronen bestehen. Die ungefähr gleich großen Protonen und Neutronen bilden den dicht gepackten zentralen „Kern“ des Atoms. Hier befindet sich fast die gesamte Masse des Atoms. Währenddessen umkreisen die viel leichteren Elektronen den Kern mit sehr hohen Geschwindigkeiten. Obwohl das Atom aus entgegengesetzt geladenen Teilchen aufgebaut ist, ist seine Gesamtladung neutral, da es die gleiche Anzahl positiver Protonen und negativer Elektronen enthält.

Eine atomare Beschreibung von Silizium

Die vier Elektronen. die den Kern im äußersten oder „Valenz“ -Energieniveau umkreisen, werden anderen Atomen gegeben, von ihnen akzeptiert oder mit ihnen geteilt. Die Elektronen umkreisen den Kern in unterschiedlichen Abständen und dies wird durch ihr Energieniveau bestimmt. Zum Beispiel würde ein Elektron mit weniger Energie näher am Kern umkreisen, während eines mit größerer Energie weiter entfernt umkreist. Es sind die Elektronen, die am weitesten vom Kern entfernt sind, die mit denen benachbarter Atome interagieren, um die Art und Weise zu bestimmen, wie feste Strukturen gebildet werden.

Der Siliziumkristall und die Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität

Obwohl das Siliziumatom 14 Elektronen hat, erlaubt ihre natürliche Orbitalanordnung, dass nur die äußeren vier von diesen anderen Atomen gegeben, von ihnen akzeptiert oder mit ihnen geteilt werden. Diese äußeren vier Elektronen werden „Valenzelektronen“ genannt und spielen eine immens wichtige Rolle bei der Erzeugung des photovoltaischen Effekts. Was ist der Photovoltaikeffekt oder PV? Der photovoltaische Effekt ist der grundlegende physikalische Prozess, durch den eine Photovoltaikzelle Sonnenenergie in nutzbaren Strom umwandelt. Das Sonnenlicht selbst besteht aus Photonen oder Teilchen der Sonnenenergie. Und diese Photonen enthalten verschiedene Energiemengen, die den unterschiedlichen Wellenlängen des Sonnenspektrums entsprechen.

Wenn Silizium in seiner kristallinen Form vorliegt, kann die Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität stattfinden. Eine große Anzahl von Siliziumatomen kann sich durch ihre Valenzelektronen zu einem Kristall verbinden. In einem kristallinen Feststoff teilt jedes Siliziumatom normalerweise eines seiner vier Valenzelektronen in einer „kovalenten“ Bindung mit jedem der vier benachbarten Siliziumatome.

Der Feststoff besteht dann aus Grundeinheiten von fünf Siliziumatomen: dem ursprünglichen Atom plus den vier anderen Atomen, mit denen er seine Valenzelektronen teilt. In der Grundeinheit des kristallinen Siliziumfeststoffs teilt ein Siliziumatom jedes seiner vier Valenzelektronen mit jedem der vier benachbarten Atome. Der feste Siliziumkristall besteht aus einer regelmäßigen Reihe von Einheiten von fünf Siliziumatomen. Diese regelmäßige und feste Anordnung von Siliziumatomen ist als „Kristallgitter“ bekannt.

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