Fach: Physik; Teilgebiet: Halbleiter; Thema: Solarzelle; Problem: Verständnis

Hallo, kann bitte jemand mein angefertigtes Dokument auf mögliche Fehler überprüfen ?

Dankeschön!

Der Link zum Download (PDF Datei):
http://aXYZn.100free.com/solarzelle.pdf

Den Link per Copy && Paste in das Feld kopieren.

Grüße
agi

knivil

Vielleicht solltest du erstmal eine Rechtschreibpruefung darauf ansetzen.

knivil schrieb:

Vielleicht solltest du erstmal eine Rechtschreibpruefung darauf ansetzen.

Okay, dat mach ich später mir gehts zunächst ma um die "Physikalische Korrektness"

Grüße
agi

volkard

Da öffnet sich nichts.
Nur eine bis auf ein Werbebanner leere Seite.

Gregor

@aXYZn:

1. Nimm lieber den Fachbegriff "dotieren" statt "einpflanzen". Du kannst es ja kurz in einem Satz erklären.

2. Meine Sichtweise bezüglich der Dotierung mit Donatoren und Akzeptoren ist folgende: Du musst Dir die Zustände ansehen, die die Ladungsträger in Deinem Silizium annehmen können. Die werden durch sogenannte Bänder beschrieben, in denen die Energie der Ladungsträger in Zusammenhang mit entweder Ort oder Impuls gebracht werden. Jetzt ist es so, dass die Elektronen die Zustände angefangen mit der niedrigsten Energie auffüllen. Wenn Du die Zustände so auffüllst, dann kriegst Du den elektrischen Grundzustand des Systems heraus. Das ist der Zustand, der bei einer Temperatur von 0K herrscht. Bei höheren Temperaturen werden wenige Elektronen in etwas energiereichere Zustände angeregt. Ein Maßstab für die Energie, die ein Elektron dabei zusätzlich bekommen kann ist dabei ungefähr 26meV bei Raumteperatur und diese Energie ist proportional zur Temperatur. So. Jetzt ist es so, dass reines Silizium keine Zustände bzw. Bänder in dem Bereich hat, der dem höchsten besetzten Zustand bei T=0K entspricht. Da ist eine Bandlücke, die energetisch gesehen breit genug ist, dass die Elektronen nicht bzw. nur in sehr sehr geringem Maße in höherliegende Zustände angeregt werden. Dummerweise brauchst Du aber so eine Anregung in höherliegende, nichtbesetzte Zustände, damit das Material elektrisch leiten kann. Mit anderen Worten: Du kriegst dort erstmal keine elektrische Leitfähigkeit. Die würde es in Silizium bei 500-600K geben, also wenn Du das Material ganz ordentlich erhitzt. Wenn Du das Material jetzt dotierst, dann sieht die Situation aber etwas anders aus. Die Zustände vom Donator bzw. Akzeptor liegen so, dass dieses Dotieratom unter ganz geringem Energieaufwand ionisiert werden kann. Dieser Energieaufwand ist so gering, dass bei Raumtemperatur praktisch alle Dotieratome im Silizium thermisch ionisiert sind. Das heißt, dass die Donatoren ihr 5. Elektron an das Gesamtsystem abgeben. Dieses ist dann in einem Zustand, in dem es zur Leitfähigkeit des Materials beitragen kann. Ähnlich ist es mit den Akzeptoren. Diese nehmen ein Elektron auf und die resultierende Fehlstelle ist im Material frei beweglich, trägt also ebenfalls zur Leitung bei. Die Quintessenz des Dotierens ist es also, dass Du Art und Menge der frei beweglichen Ladungsträger in dem Material kontrollieren kannst. Und wie schon gesagt ist das Ganze sehr temperaturabhängig. Wenn es zu kalt ist, dann können die Dotieratome nicht ionisiert werden und wenn es zu heiß ist, dann werden die Elektronen von den Siliziumatomen angeregt. In beiden Fällen funktioniert Dein elektrisches Bauteil nicht mehr. Zum Glück kann man die Funktionsweise aber über einen breiten Bereich rund um die Raumtemperatur gewährleisten.

3. Ich habe nicht ganz verstanden, was Du da zur Rekombination der Ladungsträger in der Nähe des Übergangs geschrieben hast. Es ist im Allgemeinen so, dass Elektronen und Löcher sowohl auf der p- also auch auf der n-Seite des Übergangs miteinander rekombinieren. Elektronen diffundieren ins p-Gebiet und Löcher diffundieren ins n-Gebiet. Durch die Rekombination lädt sich der Halbleiter dann auf beiden Seiten des Übergangs auf. Auf der p-Seite lädt er sich negativ auf und auf der n-Seite positiv. Dabei entsteht ein elektrisches Feld, das dem Diffusionsstrom durch die Schnittstelle entgegenwirkt und entsprechend kriegst Du dann ein Gleichgewicht, wenn der Strom, der durch das elektrische Feld hervorgerufen wird, vom Betrag her gleich dem Diffusionsstrom ist. In diesem Gleichgewicht hast Du auf beiden Seiten des Übergangs eine Zone, in der die Elektronen mit den Löchern rekombiniert sind. Entsprechend hast Du dort keine Ladungsträger zum elektrischen Transport zur Verfügung. Die entstehen dann, wie Du auch geschrieben hast, wenn Du den Übergang mit Licht bestrahlst. Wenn die Energie eines Photons hoch genug ist, dann kann es ein Elektron-Loch-Paar erzeugen. Wenn Du jetzt in die richtige Richtung eine Spannung an den Übergang anlegst (das Elektron muss wohl ins n-Gebiet gezogen werden und das Loch ins p-Gebiet), dann fließt dadurch ein Strom.

Gregor

Noch was: Die Energie des Photons stellt natürlich auch die Limitierung der Solarzelle dar. Ist vielleicht ein wichtiger oder zumindest interessanter Punkt. Wenn das Photon zu wenig Energie hat, dann kann es kein Elektron-Loch-Paar erzeugen. Wenn es zu viel Energie hat, dann erzeugt es zwar ein Elektron-Loch-Paar, aber ein Teil der Photonenenergie geht in die kinetische Energie des Elektrons oder des Lochs über. Diese zusätzliche kinetische Energie wird durch irgendwelche inelastischen Stöße des Elektrons oder des Lochs an Fehlstellen oder ähnlichen Dingen im Material verloren gehen. Das heißt, dass Du eine bestimmte Photonenenergie hast, bei der die Solarzelle besonders gut funktioniert. Bei allen anderen Energien funktioniert sie weniger gut. Da das Sonnenlicht ein breites Energiespektrum abdeckt, ist das der Punkt, der den Wirkungsgrad der Solarzelle beschränkt. Natürlich versucht man, Solarzellen so zu konstruieren, dass sie das Sonnenlicht möglichst gut umwandeln können. Da gibt es ja ganz verschiedene Ansätze. Zum Beispiel kannst Du ein Mehrschichtsystem herstellen, in dem jede Schicht bezüglich eines anderen Energiebereichs einen besonders hohen Wirkungsgrad hat.

Gregor, vielen vielen Dank!

LG
aXYZn

Gregor

aXYZn schrieb:

Gregor, vielen vielen Dank!

Warte mit Deiner Markierung des Threads als "gelöst" mal noch ab, bis ruediger hier war. Der kennt sich da sehr gut aus und hat bestimmt ne ganz andere Sichtweise als ich.

Okay, ich habe mich ein wenig über das Bändermodel informiert und dabei (hoffentlich korrekt) eine kurze Zusammenfassung geschrieben, nur so zum nachgucken ob alles auch wirklich sitzt.

Halbleiter haben einen Abstand (im Sinne des Bändermodells) von ungefähr < 3 eV bei 0*K, abhängig von der Temperatur nimmt auch dessen Wiederstandswert ab. Im Modell würde dies bedeuten, dass das Valenzband sich dem Leitungsband nähert, da sich die Elektronen mehr bewegen also ihre kinetische Energie zunimmt und sie sich eben gegenseitig anstoßen. Dotiert oder verunreinigt man ein Halbleitermaterial, wie Silizium so wird dieser Leitfähiger gemacht.
Also das mit beispielsweise Aluminium dotierte Material wird somit ein Akzeptor (welcher Elektronen aufnimmt) während das mit beispielsweise Phosphor dotierte ein Donator (welcher Elektronen abgibt) wird. Tut man jetzt die beiden verschieden dotierten Halbleiter-Materialien zusammenfügen, ziehen sich die Löcher sowie die Elektronen gegenseitig an (und das, nur bei Normaltemperatur).
Da sie dadurch rekombinieren also wieder zu neutralen Atomen werden, ensteht eine ladungträgersarme Zone an der Grenzschicht des Halbleiters. Aber wie ist so etwas überhaupt möglich? Wenn Elektronen von der n-Schicht in die p-Schicht gelangen, und damit rekombinieren und auch damit Löcher zurücklassen, wie können dann die Löcher noch zur n-Schicht in der vorher Löcher zurückgelassen wurden hin wandern? Gleichnamige Ladungen stoßen sich doch ab, oder nicht?

LG
aXYZn

PS: Mein Physikwissen entspricht dem Realschulniveau
Apropos Realschulniveau ich habe meine Endnoten heute Abend endlich zu Gesicht bekommen:

Mathematik: 2
Deutsch: 3
Englisch: 3
NWA: 2
Geschichte: 2
EWG: 3

Gleicht sich doch voll aus oder nicht?

Und wenn du in deutsch auch noch ne 2 möchtest,
dann nimm mal deine "tut man" Formulierungen aus dem Text.

Bei uns hieß es früher immer: Tuten tut man nicht tuten tut
die Feuerwehr.

So long,

Andreas

Gregor

@aXYZn: Ich antworte Dir wahrscheinlich erst morgen.

...aber BTW: Kennst Du eigentlich Britney Spear's Guide to Semiconductor physics?

http://britneyspears.ac/lasers.htm

Ist zwar eine merkwürdige Kombination von Themen, aber die Seite ist wirklich gut, was die Halbleiterphysik betrifft. Lies da mal'n bischen was. Da steht auch einiges zu pn-Übergängen.

Gregor

aXYZn schrieb:

Tut man jetzt die beiden verschieden dotierten Halbleiter-Materialien zusammenfügen, ziehen sich die Löcher sowie die Elektronen gegenseitig an (und das, nur bei Normaltemperatur).
Da sie dadurch rekombinieren also wieder zu neutralen Atomen werden, ensteht eine ladungträgersarme Zone an der Grenzschicht des Halbleiters. Aber wie ist so etwas überhaupt möglich? Wenn Elektronen von der n-Schicht in die p-Schicht gelangen, und damit rekombinieren und auch damit Löcher zurücklassen, wie können dann die Löcher noch zur n-Schicht in der vorher Löcher zurückgelassen wurden hin wandern? Gleichnamige Ladungen stoßen sich doch ab, oder nicht?

1. Nicht von Normaltemperatur reden, sondern von Raumtemperatur.

2. Der Prozess findet für alle Temperaturen statt, bei denen die Dotieratome ionisiert sind.

3. "Anziehen" ist da vermutlich der falsche Begriff. In einem getrennten System ist sowohl der p-Halbleiter, als auch der n-Halbleiter von der Ladung her neutral. Wenn Du die jetzt zusammenfügst, dann zieht sich erstmal nichts an. Was durch den Kontakt passiert ist, dass Diffusion ermöglicht wird. Da kommt also Thermodynamik ins Spiel. Die Ladungsträger, und damit sind sowohl die Elektronen im n-Halbleiter, als auch die Löcher im p-Halbleiter gemeint, bewegen sich. Und alleine deshalb werden schon einige die Grenze zum anders dotierten Halbleiter überschreiten. Solange beide Halbleitergebiete ladungsneutral sind, steht dem auch nichts entgegen. So, jetzt diffundieren also die Ladungsträger in den anders dotierten Halbleiter. Das führt dazu, dass in der Nähe zur Grenze zwischen den beiden Halbleitern eine Raumladungszone entsteht. Auf beiden Seiten der Grenze. Im p-Halbleiter häufen sich Elektronen an, wodurch dort eine negativ geladene Zone entsteht, und im n-Halbleiter häufen sich Löcher an, wodurch eine positiv geladene Zone entsteht. Durch diese Raumladungszonen entsteht dann ein elektrsiches Feld, wie in einem Kondensator. Dieses Feld wirkt eine Kraft auf die Elektronen und Löcher aus, wodurch die Elektronen von p nach n beschleunigt werden und die Löcher von n nach p. Es wird also ein Strom verursacht, der dem Diffusionsstrom entgegenwirkt. Das ist der zentrale Punkt: Hier laufen zwei Prozesse ab, die einander entgegenwirken. Wenn der Strom durch das elektrische Feld und der Diffusionsstrom dann gleich groß sind, hat man einen Gleichgewichtszustand erreicht. Über diese Gleichgewichtsbedingung kannst Du dann ausrechnen, wie groß die Raumladungszonen etc. sind.

In Deiner Frage gehst Du davon aus, dass die Abstoßung durch die Raumladungszonen den Diffusionsstrom komplett unterbindet. Das ist aber die falsche Sichtweise. Du kannst da nicht mit solchen absoluten Aussagen argumentieren. Du hast einfach zwei Prozesse, die einander entgegenwirken. Aber dadurch, dass Prozess B existiert, ist Prozess A nicht einfach weg. Die Prozesse sind im Gleichgewichtszustand nur gleich stark.

Also wandern bzw. diffundieren die Löcher sowie die Elektronen grob gesagt hin und her? Hast Du nicht gesagt, dass nahe an der Grenzschicht eine ladungsträgerfreie Raumladungszone entsteht? Das kann ich mir aber nicht vorstellen, da sich durch die wechselseitige Beziehung alle Elektronen bzw. Löcher besetzt sein müssen. Also das die Elektronen von der n-Schicht in die p-Schicht gelangen und dort alle Löcher besetzen während sich an der n-Schicht positive Ladung gebildet hat und der Feldstrom bzw. Diffusionsstrom dafür sorgt, das diese Wechselseitige Beziehung weiterhin erhalten bleibt.

LG
aXYZn

Keine Antworten dazu? Dann muss meine Behauptung bzw. Zusammenfassung stimmen.

Grüße
agi

Gregor

aXYZn schrieb:

Keine Antworten dazu? Dann muss meine Behauptung bzw. Zusammenfassung stimmen.

Ich denke noch darüber nach, wie ich Deine Frage am Besten beantworten kann. Vielleicht sagt ruediger morgen etwas dazu. Dann hat er wieder etwas mehr Zeit.

Generell ist es natürlich so, dass man mehrere Möglichkeiten hat, so ein System zu beschreiben. Und ich bin mir momentan nicht so ganz sicher, ob ich da nicht vielleicht zwei Varianten miteinander vermischt habe, die besser nicht vermischt werden sollten. Darüber muss ich mir echt Gedanken machen und deswegen wird es ein bischen dauern.

Gregor

aXYZn schrieb:

Also wandern bzw. diffundieren die Löcher sowie die Elektronen grob gesagt hin und her? Hast Du nicht gesagt, dass nahe an der Grenzschicht eine ladungsträgerfreie Raumladungszone entsteht? Das kann ich mir aber nicht vorstellen, da sich durch die wechselseitige Beziehung alle Elektronen bzw. Löcher besetzt sein müssen. Also das die Elektronen von der n-Schicht in die p-Schicht gelangen und dort alle Löcher besetzen während sich an der n-Schicht positive Ladung gebildet hat und der Feldstrom bzw. Diffusionsstrom dafür sorgt, das diese Wechselseitige Beziehung weiterhin erhalten bleibt.

Ok, ich probier mal, das zu beantworten. Also...

1. Diffusionsstrom und Driftstrom (der Strom, der vom E-Feld verursacht wird) finden nicht in dem Sinne gleichzeitig statt, sondern sind zwei Aspekte des Gesamtstroms, der in der pn-Junction fließt. Dieser Gesamtstrom ist im Gleichgewicht erstmal null. Ich schreib das mal als Formel auf.

Für die Elektronen:

$I\_n = 0 = -e\mu\_n \left( nE + \frac{kT}{-e}\frac{dn}{dx} \right)$

Und für die Löcher:

$I\_p = 0 = e\mu\_p \left( pE + \frac{kT}{e}\frac{dp}{dx} \right)$

Die µ sind hierbei die Mobilitäten, e ist die Elementarladung, k die Boltzmannkonstante, T die Temperatur und n und p die Konzentrationen der Elektronen und Löcher. Der Driftstrom hängt also von der Ladungsträgerkonzentration, der Mobilität der Ladungsträger und dem E-Feld ab, während der Diffusionsstrom vor allem von der örtlichen Änderung der jeweiligen Ladungsträgerkonzentration abhängt. Der Strom durch die Löcher und der Strom für die Elektronen ist hier also erstmal völlig unabhängig voneinander.

Das wichtige hier ist, dass insgesamt gar kein Strom fließt, da sich die Terme, die den Strom verursachen, die Waage halten. Wenn die beiden Halbleiter in Kontakt kommen, dann fließt aber erstmal ein Strom, bis die örtliche Änderung der Ladungsträgerkonzentrationen und das E-Feld Werte erreicht haben, die zu einem Gleichgewicht führen. Wenn dieses Gleichgewicht erreicht ist, dann haben wir Raumladungszonen auf beiden Seiten des Übergangs. Wie schon erwähnt, ist dann im p-Halbleiter eine negativ geladene Schicht und im n-Halbleiter eine positiv geladene Schicht.

So, jetzt hast Du nach der Verarmungszone gefragt. Mein Ansatz, die zu erklären, wäre folgender: Wie schon erwähnt, zieht sich, wenn man die beiden Halbleiter in Kontakt bringt, erstmal nichts an. Beide Seiten des Halbleiters sind Ladungsneutral. Das ändert sich aber dadurch, dass ein Gleichgewicht eingestellt werden muss. Jetzt haben wir die Raumladungszonen auf beiden Seiten des Übergangs. Schauen wir uns diese Raumladungszonen mal separat von einander an: In beiden Raumladungszonen haben wir einen Überschuss an Minoritätsladungsträgern. Das sind die Ladungsträger, die im jeweiligen Halbleiter nicht für den Transport verantwortlich sind. Innerhalb der Raumladungszone ist es dadurch dann tatsächlich so, dass sich Elektronen und Löcher anziehen und letztendlich rekombinieren. Durch diese Rekombination stehen sie dann nicht mehr zum Transport zur Verfügung, aber natürlich sind sie noch vorhanden, was die jeweilige Ladungsträgerkonzentration betrifft. Sie sind also weiterhin an den Termen bezüglich des Gesamtstroms beteiligt. Sowohl am Driftterm durch das verursachte E-Feld, als auch am Diffusionsterm durch die Ladungsträgerkonzentration ansich.

So. Ich muss dazu sagen, dass ich mit dieser Erklärung selbst alles andere als zufrieden bin. Möglicherweise ist sie auch nicht ganz richtig. Aber vielleicht kann das ja jemand anders noch etwas genauer formulieren.

Morgen Gregor!

Wie gesagt mein Physikwissen entspricht dem Realschulniveau oder Sekundarstufe I (BW) und das Bändermodel ist für mich was total neues.
So viel wollte ich und muss ich eigentlich nicht Wissen, aber ja es trägt zum besseren Verständnis der Materie bei.
Ich habe mir das mit dem Semiconductor's und Britney Spears mal durchgelesen und schreibe nun nochmal eine Zusammenfassung (hoffentlich richtig):

Wie ich mir das jetzt vorstelle? Man nehme Silizium als Halbleitermaterial, dotiert es mit Fremdatomen wie dem 3-wertigen Al und 5-wertigen P. Wenn man das Material mit Al dotiert ensteht eine positive Schicht, da nun ein Elektron fehlt stört es das Gleichgewicht des eigentlichen Halbleitermaterials, weil es mehr Löcher als Elektronen gibt. Das selbe bei der N-Dotierung, da P 5 Außenelektronen besitzt überwiegen nun freie Elektronen, das Gleichgewicht wird ebenfalls gestört. Trotzdem bleiben beide dotierten Materialien von außen gesehen elektrisch Neutral, da es genau so viele Elektronen wie Protonen gibt.
Setzt man die P- sowie die N-Schicht zusammen, wird erstmal nichts angezogen, wie Du schon mehrmals gesagt hattest. Wobei irgendeine Anziehungskraft existieren muss, damit überhaupt die Elektronen rekombinieren, aber das ist ja nicht möglich wie Du gesagt hast, da die dotierten Materialien von außen gesehen neutrale Ladungen besitzen. Aber warum bewegen sich dann die Elektronen in die jeweils entsprechende Zone? Ich nimms jetzt mal als gegeben hin und fahre mit meiner Zusammenfassung fort. Also die Löcher und Elektronen bewegen sich nach dem Zusammensetzen der dotierten Halbleitermaterialien (n und p) in Richtung den entsprechenden Schichten. Also die Löcher zur n-Schicht und die Elektronen zur p-Schicht. Es häufen sich wie Du sagtest in der p-Zone Elektronen an und in der n-Zone entsprechend Löcher (diffundieren). Man kann es wie Du ebenfalls sagtest als ein Kondensator vorstellen, das bewirkt eine Feldkraft, so dass die Elektronen wieder in die n-Schicht gelangen und die Löcher wieder in die p-Schicht. Und es bewirkt ebenfalls nochmal eine Feldkraft usw. und diese Feldkraft ist nicht von außen abzapfbar!
Also ein ständiges Hin und Her zwischen Ladungen. Wird nun die Diode in einem Stromkreis angeschlossen und eine mindestspannung erreicht, so werden in der N-Schicht die Elektronen angestoßen und gelangen zur Grenzschicht und diffundieren in die p-schicht ein und gelangen über den äußeren Stromfluss wieder in die N-Schicht. Die Löcher wandern in Richtung Minuspol und rekombinieren. Und ganz wichtig die Löcher können nicht in den äußeren Stromkreis gelangen sie warten lediglich nahe am Minus-Pol auf Elektronen zum rekombinieren. Das Elektron rekombiniert solange bis er den "Plus-Pol-Ausgang" erreicht hat und dort in den äußeren Stromkreis gelangt.

So ungefähr...

PS: Ich brauche es heute, denn ich muss eine Dokumentation dazu anfertigen. Und ich habe immer noch nicht ganz verstanden, wie es genau funzt.

Grüße
agi

Gregor

Hi. Ist mir schon klar, dass ich Dich momentan mit allerlei Konzepten zuballer, die Du noch nicht kennst. Du solltest Deine Arbeit auch nicht unbedingt auf meinen Äußerungen hier aufbauen, sondern das, was ich hier sage, eher als Zusatzinformation sehen, damit sich für Dich vielleicht ein geschlossenes Gesamtbild ergibt. Das ist allerdings schwer, gebe ich zu. Ich hoffe, ich verwirre Dich nicht mehr, als dass ich Dein Bild etwas vervollständige.

Ich möchte einen wichtigen Punkt nochmal explizit erwähnen, der hier noch nicht angesprochen wurde. Und zwar die Frage, was Löcher sind. Löcher sind letztendlich eine Modellvorstellung, die es in der Realität gar nicht gibt. Ein Atom hat keine Löcher in seiner Hülle, sondern nur Elektronen. In Siliziumkristallen ist es nun so, dass die Elektronen in der äußeren Schale der Siliziumatome für die Bindungsmechanismen im Kristall verantwortlich sind. Die sind dann zwischen den einzelnen Atomen lokalisiert und halten den Kristall zusammen. Wenn Du genau wissen willst, wie das funktioniert, musst Du eine quantenmechanische Beschreibung Deines Kristalls betrachten, aber das würde hier wohl zu weit führen. Zumindest gehört zu jedem Elektron in der äußeren Schale eines Silizium-Atoms eine Bindung zu einem anderen Atom. Wenn Du jetzt in so einen Kristall ein Atom mit nur 3 Elektronen an einen Gitterplatz setzt, dann heißt das, dass eine der Bindungen nicht "besetzt" ist. In dem Zusammenhang redet man von Löchern. Das sind nicht-besetzte bindende Zustände im Siliziumkristall. Es ist jetzt so, dass ein Elektron aus einer benachbarten Bindung diesen Zustand besetzen kann. So kann ein Loch wandern: Indem immer ein Elektron eine freie Bindung besetzt und selbst ein Loch in seiner alten Bindung zurücklässt. Rekombination heißt in dem Fall dann, dass ein frei bewegliches Elektron, das also nicht zur Bindung im Kristall beiträgt, in so einen freien, bindenden Zustand übergeht. Also wie gesagt: Es ist ein wichtiger Punkt, dass Löcher nur eine Modellvorstellung sind.

So, ich werde später noch ein bischen mehr zu den anderen Punkten schreiben.

Gregor schrieb:

So, ich werde später noch ein bischen mehr zu den anderen Punkten schreiben.

Solange schreibe ich die Dokummente über die Funktionsweise der PEM-Brennstoffzele und des PEM-Elektrolyseurs (die habe ich nähmlich gut verstanden). Damit ich die schon mal habe.
Das mit der Solarzelle sollte heute glaub ich ma irgendwie hinhauen. Wenn nicht, bin ich dran

Ich habe nähmlich FüK, fächerübergreifende Kompetenzprüfung über die Brennstoffzelle.
Wenn ich die Solarzelle nicht verstehe, dann oO

Grüße
agi

Prinzip einer Elektrolyse schrieb:

Prinzip einer Elektrolyse

Die Elektrolyse ist ein Verfahren indem eine chemische Verbindung mit Hilfe des elektrischen Stromes aufgespalten wird. Das Prinzip wird anhand von Beispielen verdeutlicht:

Beispiel Kupfer(II)chloird:

Destilliertes Wasser leitet den elektrischen Strom nicht, da es extrem wenige Ionen enthält.
Wird nun Kupfer(II)chlorid in Wasser gegeben, so wird das Ionengitter des Salzes durch die Dipolwirkung von Wasser in seine Bestandteile zerlegt:

CuCl_2 rightarrow Cu^"2+" + 2Cl^"-"

Diesen Vorgang nennt man Dissoziation. Legt man nun eine bestimmte Spannung an, so wandert das Kupfer-Kation zur Kathode und das Chlorid-Anion zur Anode:

Cu^"2+" + 2e^"-" rightarrow Cu (Kathodenreaktion oder Reduktion)

2Cl^"-" rightarrow Cl_2 + 2e^"-"(Anodenreaktion oder Oxidation)

Dabei enstehen elementares Kupfer und molekulares Chlor.

Beispiel mit Schwefelsäure als Elektrolyt:

Wie bereits erwähnt leitet destilliertes Wasser den elektrischen Strom nicht, da es extrem wenige Ionen enthält. Mit Schwefelsäure als Elektrolyt kann das destillierte Wasser leitfähiger gemacht werden, die Lösung wird dadurch saurer:

H_2 SO_4 + H_2 O rightarrow HSO^"-"_4 + H_3 O^"+"

HSO^"-"_4 + H_2 O rightarrow SO^"-2"_4 + H_3 O^"+"

Hierbei handelt es sich um eine Säure-Base-Reaktion indem jeweils ein Proton dem Reaktionspartner Wasser (Base) übergeben wird, bis schließlich ein einzelnes Säurerest-Ion übrig bleibt. Wird nun eine Spannung angelegt, so wandert das Hydronium-Ion zur Kathode und entlädt sich:

2H_3 O^"+" + 2e^"-" rightarrow H_2 + 2H_2 O

Die Hydroxid-Ionen welche durch die Autoprotolyse (spontane Protonenabgabe bzw. Protonenaufnahme unter Wassermolekülen) des Wassers entstanden sind, reagieren entsprechend an der Anode:

4OH^"-" rightarrow O_2 + 2H_2 O + 4e^"-"

Es entstehen dabei Sauerstoff und Wasserstoff im molekularen Zustand.

Prinzip einer Brennstoffzelle schrieb:

Prinzip einer PEM-Brennstoffzelle

Die Bauweise einer PEM-Brennstoffzelle (Gasbatterie) unterscheidet sich im Prinzip kaum von der des PEM-Elektrolyseurs.
Der wesentliche Unterschied ist, dass der Prozess beim Elektrolyseur in umgekehrter Richtung abläuft.
Der Wasserstoff gelangt in den Anodenraum der PEM-Brennstoffzelle und der Sauerstoff entsprechend in den Kathodenraum. Der Wasserstoff wird durch die katalytische Wirkung von Platin zersetzt und wandert als Proton in die protonendurchlässige Polymermembran ein (es diffundiert).
Seine Elektronen dagegen steigen an der Anode auf, da ihnen der Zutritt zur protonendurchlässigen Polymermembran verwehrt bleibt:

2H_2 rightarrow 4H^"+" + 4e^"-"

Im Kathodenraum nimmt Wasser seine vor kurzem abgegebenen Elektronen wieder auf und reagiert mit Sauerstoff wieder zu Wasser.

O_2 + 4H^"+" + 4e^"-" rightarrow 2H_2 O

Diesen Vorgang kann man als die Umkehrung der Elektrolyse bezeichnen.
Also elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt (Elektrolyseur) und chemische Energie wird wieder in elektrische Energie umgewandelt (Brennstoffzelle).

Prinzip eines PEM-Elektrolyseurs schrieb:

Prinzip eines PEM-Elektrolyseurs

Reines Wasser leitet den elektrischen Strom nicht, da es zu wenige Ionen enthält.
Abhilfe schafft da entweder ein Elektrolyt wie Schwefelsäure (H_2 SO_4
) oder eben ein PEM-Elektrolyseur. Das Material PEM besteht dabei aus einer protonendurchlässigen Polymermembran (proton-exchange-membran), in der die Wasserstoff-Protonen (daher der Name >>proton-exchange-membran<<) hindurch wandern also diffundieren (eindringen).

Im Grunde macht ein PEM-Elektrolyseur dasselbe wie bei einer “normalen“ Elektrolyse, eben die Aufspaltung einer chemischen Verbindung mit Hilfe des elektrischen Stromes.
Das Wasser wird aufgrund der katalytischen Wirkung von Platin an der Anodenseite zersetzt:

2H_2 O rightarrow O_2 + 4H^"+" + 4e^"-"

Das dadurch entstandene Wasserstoff-Proton dringt in die Polymermembran ein (diffunddiert) und nimmt an der Kathodenseite, die kürzlich an der Anode abgegebenen Elektronen wieder auf:

4H^"+" + 4e^"-" rightarrow 2H_2

Durch diesen Vorgang ensteht molekulares Sauerstoff und Wasserstoff.

Also, die Grundlagen sowie die Messergebnisse habe ich bereits mir fehlt nur noch eins zur Solarzelle. Dann wär ich fertig.

Von der Solarzelle habe ich nur die I-U-Kennlinie und das Leistungsdiagramm ermittelt aber nicht wie es Funktioniert.

Grüße
agi