Bandlücke

 

Die Bandlücke

 
 

Das “Dazwischen", ohne das in der Photovoltaik nichts geht

Die Bandlücke (engl. band gap) ist ein Begriff aus der Halbleiterphysik, genauer: dem physikalischen “Bändermodell”, das die elektrische Leitfähigkeit von Kristallen, Metallen, Halbleitern beschreibt.

Bandlücke

Drei mögliche Bandlücken
bei Leitern, Isolatoren und Halbleitern

© honing / Wikipedia.de

Halbleiter, wie sie in der Photovoltaik verwendet werden – in erster Linie Silizium-Kristalle – bedürfen einer Mindestenergie, um Strom zu leiten (daher das Halb in ihrer Bezeichnung: Sie leiten nicht ständig, sondern nur unter bestimmten Voraussetzungen).
Theoretisch werden deshalb bei Halbleitern verschiedene Energiezustände unterschieden, in denen die Elektronen sich unterschiedlich verhalten. Die Extreme hierbei sind:

  • Der Nullpunkt im Elektronenfluss (kein Strom) einerseits,
  • die optimale Leitfähigkeit des Halbleiters andererseits.

Die beiden Zustände in der Leitfähigkeit eines Materials werden jedoch nicht nur an den Extrempunkten Nullpunkt bzw. höchste energetische Anregung eingenommen, sondern in ganzen Bereichen energetisch niedrigerer oder höherer Anregung, den sogenannten Energiebändern.

Valenzband und Leitungsband

Wichtig unter den Energiebändern sind das Valenzband und das Leitungsband.
Das Valenzband (nach dem chemischen Begriff der Valenz, “Wertigkeit", der auf die Bindungsfähigkeit von Atomen abhebt) ist im Halbleiter ein energetischer Bereich, auf dem sich die Mehrzahl der Elektronen befindet. Das Band ist daher mit Elektronen voll besetzt – ähnlich wie die Autobahn bei einem Stau -, es ist keine Bewegung möglich.
Werden durch eine Temperaturerhöhung oder einen Energiestoß Elektronen auf das höhere Energieniveau des Leitungsbandes gehoben, haben sie eine freie Umfahrung des Staus gefunden: Im Leitungsband erreichen die Elektronen eine energetische Höhe, in der sie nahezu frei beweglich sind – Strom kann fließen.




Die Bandlücke bei Halbleitern nun beschreibt die energetische Differenz zwischen Valenzband und Leitungsband. Zwischen den beiden Bändern kann eine energetische Bandlücke bestehen, eine “verbotene Zone", die von den Elektronen übersprungen werden muss, um vom niedrigeren in den höheren Zustand zu wechseln.

Bei stromleitenden Metallen überlagern Valenzband und Leitungsband einander – es besteht keine Bandlücke, die Elektronen können sich zwischen beiden energetischen Bereichen hin- und herbewegen: Das Material kann problemlos leiten.
Bei Isolatoren hingegen sind Valenzband und Leitungsband so weit voneinander entfernt (4 Elektronenvolt und mehr), dass den Elektronen der notwendige Energiesprung bei aller praktisch denkbaren Energiezufuhr nicht gelingt.

Zur individuellen Berechnung einer Solaranlage für Ihr Dach:

Jetzt kostenlos berechnen lassen!

Das “Dazwischen", ohne das in der Photovoltaik nichts geht

Die Bandlücke (engl. band gap) ist ein Begriff aus der Halbleiterphysik, genauer: dem physikalischen “Bändermodell”, das die elektrische Leitfähigkeit von Kristallen, Metallen, Halbleitern beschreibt.

Bandlücke

Drei mögliche Bandlücken
bei Leitern, Isolatoren und Halbleitern

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Halbleiter, wie sie in der Photovoltaik verwendet werden – in erster Linie Silizium-Kristalle – bedürfen einer Mindestenergie, um Strom zu leiten (daher das Halb in ihrer Bezeichnung: Sie leiten nicht ständig, sondern nur unter bestimmten Voraussetzungen).
Theoretisch werden deshalb bei Halbleitern verschiedene Energiezustände unterschieden, in denen die Elektronen sich unterschiedlich verhalten. Die Extreme hierbei sind:

  • Der Nullpunkt im Elektronenfluss (kein Strom) einerseits,
  • die optimale Leitfähigkeit des Halbleiters andererseits.

Die beiden Zustände in der Leitfähigkeit eines Materials werden jedoch nicht nur an den Extrempunkten Nullpunkt bzw. höchste energetische Anregung eingenommen, sondern in ganzen Bereichen energetisch niedrigerer oder höherer Anregung, den sogenannten Energiebändern.

Valenzband und Leitungsband

Wichtig unter den Energiebändern sind das Valenzband und das Leitungsband.
Das Valenzband (nach dem chemischen Begriff der Valenz, “Wertigkeit", der auf die Bindungsfähigkeit von Atomen abhebt) ist im Halbleiter ein energetischer Bereich, auf dem sich die Mehrzahl der Elektronen befindet. Das Band ist daher mit Elektronen voll besetzt – ähnlich wie die Autobahn bei einem Stau -, es ist keine Bewegung möglich.
Werden durch eine Temperaturerhöhung oder einen Energiestoß Elektronen auf das höhere Energieniveau des Leitungsbandes gehoben, haben sie eine freie Umfahrung des Staus gefunden: Im Leitungsband erreichen die Elektronen eine energetische Höhe, in der sie nahezu frei beweglich sind – Strom kann fließen.




Die Bandlücke bei Halbleitern nun beschreibt die energetische Differenz zwischen Valenzband und Leitungsband. Zwischen den beiden Bändern kann eine energetische Bandlücke bestehen, eine “verbotene Zone", die von den Elektronen übersprungen werden muss, um vom niedrigeren in den höheren Zustand zu wechseln.

Bei stromleitenden Metallen überlagern Valenzband und Leitungsband einander – es besteht keine Bandlücke, die Elektronen können sich zwischen beiden energetischen Bereichen hin- und herbewegen: Das Material kann problemlos leiten.
Bei Isolatoren hingegen sind Valenzband und Leitungsband so weit voneinander entfernt (4 Elektronenvolt und mehr), dass den Elektronen der notwendige Energiesprung bei aller praktisch denkbaren Energiezufuhr nicht gelingt.

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Das “Dazwischen", ohne das in der Photovoltaik nichts geht

Die Bandlücke (engl. band gap) ist ein Begriff aus der Halbleiterphysik, genauer: dem physikalischen “Bändermodell”, das die elektrische Leitfähigkeit von Kristallen, Metallen, Halbleitern beschreibt.

Bandlücke

Drei mögliche Bandlücken
bei Leitern, Isolatoren und Halbleitern

© honing / Wikipedia.de

Halbleiter, wie sie in der Photovoltaik verwendet werden – in erster Linie Silizium-Kristalle – bedürfen einer Mindestenergie, um Strom zu leiten (daher das Halb in ihrer Bezeichnung: Sie leiten nicht ständig, sondern nur unter bestimmten Voraussetzungen).
Theoretisch werden deshalb bei Halbleitern verschiedene Energiezustände unterschieden, in denen die Elektronen sich unterschiedlich verhalten. Die Extreme hierbei sind:

  • Der Nullpunkt im Elektronenfluss (kein Strom) einerseits,
  • die optimale Leitfähigkeit des Halbleiters andererseits.

Die beiden Zustände in der Leitfähigkeit eines Materials werden jedoch nicht nur an den Extrempunkten Nullpunkt bzw. höchste energetische Anregung eingenommen, sondern in ganzen Bereichen energetisch niedrigerer oder höherer Anregung, den sogenannten Energiebändern.

Valenzband und Leitungsband

Wichtig unter den Energiebändern sind das Valenzband und das Leitungsband.
Das Valenzband (nach dem chemischen Begriff der Valenz, “Wertigkeit", der auf die Bindungsfähigkeit von Atomen abhebt) ist im Halbleiter ein energetischer Bereich, auf dem sich die Mehrzahl der Elektronen befindet. Das Band ist daher mit Elektronen voll besetzt – ähnlich wie die Autobahn bei einem Stau -, es ist keine Bewegung möglich.
Werden durch eine Temperaturerhöhung oder einen Energiestoß Elektronen auf das höhere Energieniveau des Leitungsbandes gehoben, haben sie eine freie Umfahrung des Staus gefunden: Im Leitungsband erreichen die Elektronen eine energetische Höhe, in der sie nahezu frei beweglich sind – Strom kann fließen.




Die Bandlücke bei Halbleitern nun beschreibt die energetische Differenz zwischen Valenzband und Leitungsband. Zwischen den beiden Bändern kann eine energetische Bandlücke bestehen, eine “verbotene Zone", die von den Elektronen übersprungen werden muss, um vom niedrigeren in den höheren Zustand zu wechseln.

Bei stromleitenden Metallen überlagern Valenzband und Leitungsband einander – es besteht keine Bandlücke, die Elektronen können sich zwischen beiden energetischen Bereichen hin- und herbewegen: Das Material kann problemlos leiten.
Bei Isolatoren hingegen sind Valenzband und Leitungsband so weit voneinander entfernt (4 Elektronenvolt und mehr), dass den Elektronen der notwendige Energiesprung bei aller praktisch denkbaren Energiezufuhr nicht gelingt.

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Wie groß ist die Bandlücke?

Abhängig ist die Differenz vom jeweiligen Material des Halbleiters und von dem Energiezustand, den er bereits erreicht hat – d.h. in den meisten Fällen: Von seiner Temperatur. Bei gegebener Temperatur ist also bei unterschiedlichen Halbleiter-Materialien eine unterschiedliche Mindest-Energiezufuhr notwendig, um die Bandlücke zu überspringen und den Elektronenfluss bzw. Stromfluss anzuregen.

Bandlücken-Energie unterschiedlicher Materialien

Die folgende Liste zeigt (in Elektronenvolt: eV) die Energie der Bandlücken einiger Elemente, die ein Photon bei Raumtemperatur überschreiten müsste, um den Elektronenfluss anzuregen (die sogenannte Bandlücken-Energie).

Material Bandlücken-Energie bei Raumtemperatur
Silizium 1.11 Elektronenvolt eV
Germanium 0.67 eV
Galliumarsenid 1.43 eV
Indiumphosphid 1.34 eV
Galliumnitrit 3.37 eV
Aluminiumgalliumarsenid 1.42 – 2.16 eV

Übertrifft die Energie der Solarstrahlung bzw. genauer die Energie des einstrahlenden Photons die genannten Werte der Bandlücken-Energie, regt es den Elektronenfluss im Material der Solarzelle an. Dabei wird es selbst und seine Energie durch den Halbleiter absorbiert: Licht wird aufgefangen und umgewandelt in Solarstrom.
Die Tabelle zeigt außerdem, dass die Bandlücken-Energie des Solarzellen-Materials Silizium – abgesehen von seinem Vorläufer, dem selteneren, teureren Germanium – die geringste ist. Dem Silizium muss also vergleichsweise wenig Energie zugeführt werden, um Strom zu leiten. Das macht es für die Solarstromproduktion besonders geeignet.

Indirekte und direkte Bandlücken

Eine weitere Unterscheidung betrifft die Nähe des Übergangs zwischen Valenz- und Leitungsband. Liegt das Minimum des Leitungsbandes direkt über dem Maximum des Valenzbandes, spricht man von einer direkten Bandlücke; liegen das obere Minimum und das untere Maximum versetzt zueinander, handelt es sich um eine indirekte Bandlücke. Letzteres ist bei Silizium, dem häufigsten Baustoff von Solarzellen, der Fall.
Bei einer indirekten Bandlücke ist die Absorption einzelner Photone unwahrscheinlicher – daher bedürfen herkömmliche Siliziumwafer einer gewissen Mindestdicke, um ihre ganze Wirkung zu entfalten.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Wie groß ist die Bandlücke?

Abhängig ist die Differenz vom jeweiligen Material des Halbleiters und von dem Energiezustand, den er bereits erreicht hat – d.h. in den meisten Fällen: Von seiner Temperatur. Bei gegebener Temperatur ist also bei unterschiedlichen Halbleiter-Materialien eine unterschiedliche Mindest-Energiezufuhr notwendig, um die Bandlücke zu überspringen und den Elektronenfluss bzw. Stromfluss anzuregen.

Bandlücken-Energie unterschiedlicher Materialien

Die folgende Liste zeigt (in Elektronenvolt: eV) die Energie der Bandlücken einiger Elemente, die ein Photon bei Raumtemperatur überschreiten müsste, um den Elektronenfluss anzuregen (die sogenannte Bandlücken-Energie).

Material Bandlücken-Energie bei Raumtemperatur
Silizium 1.11 Elektronenvolt eV
Germanium 0.67 eV
Galliumarsenid 1.43 eV
Indiumphosphid 1.34 eV
Galliumnitrit 3.37 eV
Aluminiumgalliumarsenid 1.42 – 2.16 eV

Übertrifft die Energie der Solarstrahlung bzw. genauer die Energie des einstrahlenden Photons die genannten Werte der Bandlücken-Energie, regt es den Elektronenfluss im Material der Solarzelle an. Dabei wird es selbst und seine Energie durch den Halbleiter absorbiert: Licht wird aufgefangen und umgewandelt in Solarstrom.
Die Tabelle zeigt außerdem, dass die Bandlücken-Energie des Solarzellen-Materials Silizium – abgesehen von seinem Vorläufer, dem selteneren, teureren Germanium – die geringste ist. Dem Silizium muss also vergleichsweise wenig Energie zugeführt werden, um Strom zu leiten. Das macht es für die Solarstromproduktion besonders geeignet.

Indirekte und direkte Bandlücken

Eine weitere Unterscheidung betrifft die Nähe des Übergangs zwischen Valenz- und Leitungsband. Liegt das Minimum des Leitungsbandes direkt über dem Maximum des Valenzbandes, spricht man von einer direkten Bandlücke; liegen das obere Minimum und das untere Maximum versetzt zueinander, handelt es sich um eine indirekte Bandlücke. Letzteres ist bei Silizium, dem häufigsten Baustoff von Solarzellen, der Fall.
Bei einer indirekten Bandlücke ist die Absorption einzelner Photone unwahrscheinlicher – daher bedürfen herkömmliche Siliziumwafer einer gewissen Mindestdicke, um ihre ganze Wirkung zu entfalten.

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Abhängig ist die Differenz vom jeweiligen Material des Halbleiters und von dem Energiezustand, den er bereits erreicht hat – d.h. in den meisten Fällen: Von seiner Temperatur. Bei gegebener Temperatur ist also bei unterschiedlichen Halbleiter-Materialien eine unterschiedliche Mindest-Energiezufuhr notwendig, um die Bandlücke zu überspringen und den Elektronenfluss bzw. Stromfluss anzuregen.

Bandlücken-Energie unterschiedlicher Materialien

Die folgende Liste zeigt (in Elektronenvolt: eV) die Energie der Bandlücken einiger Elemente, die ein Photon bei Raumtemperatur überschreiten müsste, um den Elektronenfluss anzuregen (die sogenannte Bandlücken-Energie).

Material Bandlücken-Energie bei Raumtemperatur
Silizium 1.11 Elektronenvolt eV
Germanium 0.67 eV
Galliumarsenid 1.43 eV
Indiumphosphid 1.34 eV
Galliumnitrit 3.37 eV
Aluminiumgalliumarsenid 1.42 – 2.16 eV

Übertrifft die Energie der Solarstrahlung bzw. genauer die Energie des einstrahlenden Photons die genannten Werte der Bandlücken-Energie, regt es den Elektronenfluss im Material der Solarzelle an. Dabei wird es selbst und seine Energie durch den Halbleiter absorbiert: Licht wird aufgefangen und umgewandelt in Solarstrom.
Die Tabelle zeigt außerdem, dass die Bandlücken-Energie des Solarzellen-Materials Silizium – abgesehen von seinem Vorläufer, dem selteneren, teureren Germanium – die geringste ist. Dem Silizium muss also vergleichsweise wenig Energie zugeführt werden, um Strom zu leiten. Das macht es für die Solarstromproduktion besonders geeignet.

Indirekte und direkte Bandlücken

Eine weitere Unterscheidung betrifft die Nähe des Übergangs zwischen Valenz- und Leitungsband. Liegt das Minimum des Leitungsbandes direkt über dem Maximum des Valenzbandes, spricht man von einer direkten Bandlücke; liegen das obere Minimum und das untere Maximum versetzt zueinander, handelt es sich um eine indirekte Bandlücke. Letzteres ist bei Silizium, dem häufigsten Baustoff von Solarzellen, der Fall.
Bei einer indirekten Bandlücke ist die Absorption einzelner Photone unwahrscheinlicher – daher bedürfen herkömmliche Siliziumwafer einer gewissen Mindestdicke, um ihre ganze Wirkung zu entfalten.

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