Galliumarsenid

 

Gallliumarsenid

 
 

GaAs – Photovoltaikmaterial für Spezialfälle

Galliumarsenid-Kristall -  &copy, Wikipedia (W. Oelen)

Galliumarsenid-Kristall – © Wikipedia (W. Oelen)

Galliumarsenid (GaAs) ist ein Halbleitermaterial, das gelegentlich an Stelle von Silizium zur Herstellung von Solarzellen genutzt wird. Diese können dann als Dünnschicht-Solarzellen ausgeführt werden.

Eingesetzt wird Galliumarsenid gern in hochspezialisierten Solarzellen wie z.B. zur Energieversorgung von Satelliten, da es leitungs- und leistungsfähiger ist als Silizium. Allerdings hat Galliumarsenid Silizium in Massenanwendungen nicht verdrängen können:

  • Die Ausgangsmaterialien Gallium und Arsen teuerer sind als der Quarzsand, aus dem Silizium gewonnen wird,
  • Silizium ist im Gegensatz zu Arsen ungiftig, bedarf also geringerer Sicherheitsvorkehrungen,
  • die Kristallzüchtung von Galliumarsenid ist trotz ständig verbesserter Verfahren technisch aufwendiger,
  • die Entsorgung von Galliumarsenid-Materialien ist komplizierter.

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Galliumarsenid: ein besonderer Halbleiter

Galliumarsenid ist ein Verbundwerkstoff aus dem silbrig-weißen Metall Gallium und dem grau-schwarzen giftigen Halbmetall Arsen. Erst durch die Kombination der beiden Materialien erhält es die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters: also eines Werkstoffs, dessen elektrische Leitfähigkeit mit der Temperatur und der Sonneneinstrahlung variiert.
Galliumarsenid gehört damit nicht – wie Silizium (Si) – zu den Elementarhalbleitern, sondern zu den Verbindungshalbleitern; ebenso wie Cadmium-Tellurid (CdTe) oder die Chalkopyriten (CIS).

Direkte Halbleiter: idealer Partner der Dünnschicht-Technologie

Was Galliumarsenid für die Photovoltaik besonders interessant macht, ist seine Zugehörigkeit zur Gruppe der direkten Halbleiter. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie Sonnenlicht viel effizienter in Strom umwandeln als indirekte Halbleiter wie etwa kristallines Silizium.
Damit in Solarzellen elektrische Energie entstehen kann, müssen die Energiepakete des Lichts – die Photonen bzw. Lichtquanten – Elektronen aus dem Halbleiterkristall befreien (Fachausdruck: Absorption). Erst wenn die Elektron frei sind, können sie als Strom fließen.
Bei indirekten Halbleitern müssen die Lichtquanten die Elektronen dafür nicht nur aus ihren Bindungen herausschlagen – diese müssen von der Schwingung im Kristallgitter auch noch zur rechten Zeit einen Impuls mitbekommen. Nur mit dieser zusätzlichen Richtungsänderung werden die Elektronen frei. Bei direkten Halbleitern ist dieser zusätzliche Impuls nicht notwendig – die Befreiung des Elektrons ist einfacher. Im Endeffekt bedeutet das: Direkte Halbleiter wie Galliumarsenid können Sonnenlicht rascher in Strom umwandeln als indirekte.

GaAs – Photovoltaikmaterial für Spezialfälle

Galliumarsenid-Kristall -  &copy, Wikipedia (W. Oelen)

Galliumarsenid-Kristall – © Wikipedia (W. Oelen)

Galliumarsenid (GaAs) ist ein Halbleitermaterial, das gelegentlich an Stelle von Silizium zur Herstellung von Solarzellen genutzt wird. Diese können dann als Dünnschicht-Solarzellen ausgeführt werden.

Eingesetzt wird Galliumarsenid gern in hochspezialisierten Solarzellen wie z.B. zur Energieversorgung von Satelliten, da es leitungs- und leistungsfähiger ist als Silizium. Allerdings hat Galliumarsenid Silizium in Massenanwendungen nicht verdrängen können:

  • Die Ausgangsmaterialien Gallium und Arsen teuerer sind als der Quarzsand, aus dem Silizium gewonnen wird,
  • Silizium ist im Gegensatz zu Arsen ungiftig, bedarf also geringerer Sicherheitsvorkehrungen,
  • die Kristallzüchtung von Galliumarsenid ist trotz ständig verbesserter Verfahren technisch aufwendiger,
  • die Entsorgung von Galliumarsenid-Materialien ist komplizierter.

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Galliumarsenid: ein besonderer Halbleiter

Galliumarsenid ist ein Verbundwerkstoff aus dem silbrig-weißen Metall Gallium und dem grau-schwarzen giftigen Halbmetall Arsen. Erst durch die Kombination der beiden Materialien erhält es die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters: also eines Werkstoffs, dessen elektrische Leitfähigkeit mit der Temperatur und der Sonneneinstrahlung variiert.
Galliumarsenid gehört damit nicht – wie Silizium (Si) – zu den Elementarhalbleitern, sondern zu den Verbindungshalbleitern; ebenso wie Cadmium-Tellurid (CdTe) oder die Chalkopyriten (CIS).

Direkte Halbleiter: idealer Partner der Dünnschicht-Technologie

Was Galliumarsenid für die Photovoltaik besonders interessant macht, ist seine Zugehörigkeit zur Gruppe der direkten Halbleiter. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie Sonnenlicht viel effizienter in Strom umwandeln als indirekte Halbleiter wie etwa kristallines Silizium.
Damit in Solarzellen elektrische Energie entstehen kann, müssen die Energiepakete des Lichts – die Photonen bzw. Lichtquanten – Elektronen aus dem Halbleiterkristall befreien (Fachausdruck: Absorption). Erst wenn die Elektron frei sind, können sie als Strom fließen.
Bei indirekten Halbleitern müssen die Lichtquanten die Elektronen dafür nicht nur aus ihren Bindungen herausschlagen – diese müssen von der Schwingung im Kristallgitter auch noch zur rechten Zeit einen Impuls mitbekommen. Nur mit dieser zusätzlichen Richtungsänderung werden die Elektronen frei. Bei direkten Halbleitern ist dieser zusätzliche Impuls nicht notwendig – die Befreiung des Elektrons ist einfacher. Im Endeffekt bedeutet das: Direkte Halbleiter wie Galliumarsenid können Sonnenlicht rascher in Strom umwandeln als indirekte.

GaAs – Photovoltaikmaterial für Spezialfälle

Galliumarsenid-Kristall -  &copy, Wikipedia (W. Oelen)

Galliumarsenid-Kristall – © Wikipedia (W. Oelen)

Galliumarsenid (GaAs) ist ein Halbleitermaterial, das gelegentlich an Stelle von Silizium zur Herstellung von Solarzellen genutzt wird. Diese können dann als Dünnschicht-Solarzellen ausgeführt werden.

Eingesetzt wird Galliumarsenid gern in hochspezialisierten Solarzellen wie z.B. zur Energieversorgung von Satelliten, da es leitungs- und leistungsfähiger ist als Silizium. Allerdings hat Galliumarsenid Silizium in Massenanwendungen nicht verdrängen können:

  • Die Ausgangsmaterialien Gallium und Arsen teuerer sind als der Quarzsand, aus dem Silizium gewonnen wird,
  • Silizium ist im Gegensatz zu Arsen ungiftig, bedarf also geringerer Sicherheitsvorkehrungen,
  • die Kristallzüchtung von Galliumarsenid ist trotz ständig verbesserter Verfahren technisch aufwendiger,
  • die Entsorgung von Galliumarsenid-Materialien ist komplizierter.

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Galliumarsenid: ein besonderer Halbleiter

Galliumarsenid ist ein Verbundwerkstoff aus dem silbrig-weißen Metall Gallium und dem grau-schwarzen giftigen Halbmetall Arsen. Erst durch die Kombination der beiden Materialien erhält es die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters: also eines Werkstoffs, dessen elektrische Leitfähigkeit mit der Temperatur und der Sonneneinstrahlung variiert.
Galliumarsenid gehört damit nicht – wie Silizium (Si) – zu den Elementarhalbleitern, sondern zu den Verbindungshalbleitern; ebenso wie Cadmium-Tellurid (CdTe) oder die Chalkopyriten (CIS).

Direkte Halbleiter: idealer Partner der Dünnschicht-Technologie

Was Galliumarsenid für die Photovoltaik besonders interessant macht, ist seine Zugehörigkeit zur Gruppe der direkten Halbleiter. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie Sonnenlicht viel effizienter in Strom umwandeln als indirekte Halbleiter wie etwa kristallines Silizium.
Damit in Solarzellen elektrische Energie entstehen kann, müssen die Energiepakete des Lichts – die Photonen bzw. Lichtquanten – Elektronen aus dem Halbleiterkristall befreien (Fachausdruck: Absorption). Erst wenn die Elektron frei sind, können sie als Strom fließen.
Bei indirekten Halbleitern müssen die Lichtquanten die Elektronen dafür nicht nur aus ihren Bindungen herausschlagen – diese müssen von der Schwingung im Kristallgitter auch noch zur rechten Zeit einen Impuls mitbekommen. Nur mit dieser zusätzlichen Richtungsänderung werden die Elektronen frei. Bei direkten Halbleitern ist dieser zusätzliche Impuls nicht notwendig – die Befreiung des Elektrons ist einfacher. Im Endeffekt bedeutet das: Direkte Halbleiter wie Galliumarsenid können Sonnenlicht rascher in Strom umwandeln als indirekte.

 

Absorptionskoeffizient:
Ein Maß für diese Qualität ist der Absorptionskoeffizient. Er zeigt an, wie tief ein Photon in ein Material eindringen muss, ehe es absorbiert wird. Die Unterschiede zwischen indirekten und direkten Halbleitern sind diesbezüglich beträchtlich, wie nachstehender Tabelle zu entnehmen ist (Angaben beziehen sich auf eine Licht-Wellenlänge von 0,6 µm – Quelle: Mertens, Photovoltaik, 2011, S. 78).

Halbleiter-Material Halbleiter-Art Absorptionskoeffizient [Anzahl/cm] Eindringtiefe [µm] Bandlücke [eV]
Silizium (c-Si) indirekt 4.000 2,5 1,12
GaAs direkt 47.000 0,2 1,42
CdTe direkt 37.000 0,3 1,45
amorphes Silizium (a-Si) direkt 40.000 0,25 1,7

Die ausgezeichneten Absorptionsfähigkeiten direkter Halbleiter sind ein wesentlicher Grund, weshalb Solarzellen aus Galliumarsenid, CdTe oder a-Si so gerne für Dünnschicht-Module eingesetzt werden. Diesen Werkstoffen genügen Schichtstärken von wenigen Mikrometern (µm, Tausendstel Millimetern), um den Löwenanteil der Sonnenenergie einzufangen.
Solarzellen aus indirekten Halbleitern wie Silizium benötigen dafür Schichtstärken zwischen 180 und 250 Mikrometer (Stand 2016). Ihr Wirkungsgrad ist jedoch um einiges höher als der von Dünnschicht-Zellen, weil sie mehr der erzeugten freien Elektronen nutzen können.

Galliumarsenid – Eigenschaften & Einsatzgebiete

Die hervorragende Absorptionsfähigkeit ist indessen nicht die einzige besondere Qualität von Galliumarsenid. Als direkter Halbleiter zeichnet es sich auch durch folgende Eigenschaften aus:

  • effizienter Umgang mit diffusem Licht (Schwachlicht)
  • hohe Temperaturbeständigkeit
  • unempfindlich gegenüber UV-Strahlung

Trotz dieser Qualitäten konnte sich Galliumarsenid bis heute nicht als Solarzellenmaterial des Massenmarktes durchsetzen. Das Metall Gallium ist selten, der weltweite Bedarf übersteigt die jährliche Produktionsmenge deutlich (gut 150 Mio. Tonnen) – die Herstellung des Verbindungshalbleiter ist somit weiterhin sehr teuer.

Anwendungsgebiete:
Solarzellen aus Gallium-Arsenid bleiben deshalb auf den Einsatz in Spezialgebieten beschränkt. Dazu zählt u.a. die Energieversorgung von Satelliten. Hierfür ist GaAs nicht nur aufgrund seiner hohen Effizienz, sondern auch wegen der Resistenz gegenüber kosmischer Strahlung besonders gut geeignet.
Auf der Erde verrichten Galliumarsenid-Solarzellen z.B. in Solar-Rennautos und Solarflugzeugen ihren Dienst. Auch die meisten Rekord-Solarzellen verwenden diesen Halbleiter. Stapelzellen aus GaAs mit mehreren übereinanderliegenden Solarzellen erreichen heute Wirkungsgrade von mehr als 46%. Dabei bündeln Forscher die Energie des Sonnenlichts mit Hilfe eines Linsensystems und eines Parabolspiegels. Da die konzentrierte Sonnenenergie besonders hohe Temperaturen verursacht, ist Gallium-Arsenid mit seiner geringen Temperaturempfindlichkeit hier das bevorzugte Material. Der hohe Preis spielt wegen der kleinen Zellflächen keine Rolle.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Absorptionskoeffizient:
Ein Maß für diese Qualität ist der Absorptionskoeffizient. Er zeigt an, wie tief ein Photon in ein Material eindringen muss, ehe es absorbiert wird. Die Unterschiede zwischen indirekten und direkten Halbleitern sind diesbezüglich beträchtlich, wie nachstehender Tabelle zu entnehmen ist (Angaben beziehen sich auf eine Licht-Wellenlänge von 0,6 µm – Quelle: Mertens, Photovoltaik, 2011, S. 78).

Halbleiter-Material Halbleiter-Art Absorptionskoeffizient [Anzahl/cm] Eindringtiefe [µm] Bandlücke [eV]
Silizium (c-Si) indirekt 4.000 2,5 1,12
GaAs direkt 47.000 0,2 1,42
CdTe direkt 37.000 0,3 1,45
amorphes Silizium (a-Si) direkt 40.000 0,25 1,7

Die ausgezeichneten Absorptionsfähigkeiten direkter Halbleiter sind ein wesentlicher Grund, weshalb Solarzellen aus Galliumarsenid, CdTe oder a-Si so gerne für Dünnschicht-Module eingesetzt werden. Diesen Werkstoffen genügen Schichtstärken von wenigen Mikrometern (µm, Tausendstel Millimetern), um den Löwenanteil der Sonnenenergie einzufangen.
Solarzellen aus indirekten Halbleitern wie Silizium benötigen dafür Schichtstärken zwischen 180 und 250 Mikrometer (Stand 2016). Ihr Wirkungsgrad ist jedoch um einiges höher als der von Dünnschicht-Zellen, weil sie mehr der erzeugten freien Elektronen nutzen können.

Galliumarsenid – Eigenschaften & Einsatzgebiete

Die hervorragende Absorptionsfähigkeit ist indessen nicht die einzige besondere Qualität von Galliumarsenid. Als direkter Halbleiter zeichnet es sich auch durch folgende Eigenschaften aus:

  • effizienter Umgang mit diffusem Licht (Schwachlicht)
  • hohe Temperaturbeständigkeit
  • unempfindlich gegenüber UV-Strahlung

Trotz dieser Qualitäten konnte sich Galliumarsenid bis heute nicht als Solarzellenmaterial des Massenmarktes durchsetzen. Das Metall Gallium ist selten, der weltweite Bedarf übersteigt die jährliche Produktionsmenge deutlich (gut 150 Mio. Tonnen) – die Herstellung des Verbindungshalbleiter ist somit weiterhin sehr teuer.

Anwendungsgebiete:
Solarzellen aus Gallium-Arsenid bleiben deshalb auf den Einsatz in Spezialgebieten beschränkt. Dazu zählt u.a. die Energieversorgung von Satelliten. Hierfür ist GaAs nicht nur aufgrund seiner hohen Effizienz, sondern auch wegen der Resistenz gegenüber kosmischer Strahlung besonders gut geeignet.
Auf der Erde verrichten Galliumarsenid-Solarzellen z.B. in Solar-Rennautos und Solarflugzeugen ihren Dienst. Auch die meisten Rekord-Solarzellen verwenden diesen Halbleiter. Stapelzellen aus GaAs mit mehreren übereinanderliegenden Solarzellen erreichen heute Wirkungsgrade von mehr als 46%. Dabei bündeln Forscher die Energie des Sonnenlichts mit Hilfe eines Linsensystems und eines Parabolspiegels. Da die konzentrierte Sonnenenergie besonders hohe Temperaturen verursacht, ist Gallium-Arsenid mit seiner geringen Temperaturempfindlichkeit hier das bevorzugte Material. Der hohe Preis spielt wegen der kleinen Zellflächen keine Rolle.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Absorptionskoeffizient:
Ein Maß für diese Qualität ist der Absorptionskoeffizient. Er zeigt an, wie tief ein Photon in ein Material eindringen muss, ehe es absorbiert wird. Die Unterschiede zwischen indirekten und direkten Halbleitern sind diesbezüglich beträchtlich, wie nachstehender Tabelle zu entnehmen ist (Angaben beziehen sich auf eine Licht-Wellenlänge von 0,6 µm – Quelle: Mertens, Photovoltaik, 2011, S. 78).

Halbleiter-Material Halbleiter-Art Absorptionskoeffizient [Anzahl/cm] Eindringtiefe [µm] Bandlücke [eV]
Silizium (c-Si) indirekt 4.000 2,5 1,12
GaAs direkt 47.000 0,2 1,42
CdTe direkt 37.000 0,3 1,45
amorphes Silizium (a-Si) direkt 40.000 0,25 1,7

Die ausgezeichneten Absorptionsfähigkeiten direkter Halbleiter sind ein wesentlicher Grund, weshalb Solarzellen aus Galliumarsenid, CdTe oder a-Si so gerne für Dünnschicht-Module eingesetzt werden. Diesen Werkstoffen genügen Schichtstärken von wenigen Mikrometern (µm, Tausendstel Millimetern), um den Löwenanteil der Sonnenenergie einzufangen.
Solarzellen aus indirekten Halbleitern wie Silizium benötigen dafür Schichtstärken zwischen 180 und 250 Mikrometer (Stand 2016). Ihr Wirkungsgrad ist jedoch um einiges höher als der von Dünnschicht-Zellen, weil sie mehr der erzeugten freien Elektronen nutzen können.

Galliumarsenid – Eigenschaften & Einsatzgebiete

Die hervorragende Absorptionsfähigkeit ist indessen nicht die einzige besondere Qualität von Galliumarsenid. Als direkter Halbleiter zeichnet es sich auch durch folgende Eigenschaften aus:

  • effizienter Umgang mit diffusem Licht (Schwachlicht)
  • hohe Temperaturbeständigkeit
  • unempfindlich gegenüber UV-Strahlung

Trotz dieser Qualitäten konnte sich Galliumarsenid bis heute nicht als Solarzellenmaterial des Massenmarktes durchsetzen. Das Metall Gallium ist selten, der weltweite Bedarf übersteigt die jährliche Produktionsmenge deutlich (gut 150 Mio. Tonnen) – die Herstellung des Verbindungshalbleiter ist somit weiterhin sehr teuer.

Anwendungsgebiete:
Solarzellen aus Gallium-Arsenid bleiben deshalb auf den Einsatz in Spezialgebieten beschränkt. Dazu zählt u.a. die Energieversorgung von Satelliten. Hierfür ist GaAs nicht nur aufgrund seiner hohen Effizienz, sondern auch wegen der Resistenz gegenüber kosmischer Strahlung besonders gut geeignet.
Auf der Erde verrichten Galliumarsenid-Solarzellen z.B. in Solar-Rennautos und Solarflugzeugen ihren Dienst. Auch die meisten Rekord-Solarzellen verwenden diesen Halbleiter. Stapelzellen aus GaAs mit mehreren übereinanderliegenden Solarzellen erreichen heute Wirkungsgrade von mehr als 46%. Dabei bündeln Forscher die Energie des Sonnenlichts mit Hilfe eines Linsensystems und eines Parabolspiegels. Da die konzentrierte Sonnenenergie besonders hohe Temperaturen verursacht, ist Gallium-Arsenid mit seiner geringen Temperaturempfindlichkeit hier das bevorzugte Material. Der hohe Preis spielt wegen der kleinen Zellflächen keine Rolle.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung