Passive Mechanismen in der Solarenergie - Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen - page 217

Abb. 4.63 Energiebänder in einem elektrischen Nichtleiter a , einem Halbleiter b und einem Metall c
Weise kann ein unbesetztes Leitungsband teilbesetzt werden. Diese Elektronen und die
im Valenzband zurückbleibenden Löcher tragen beide zur Leitfähigkeit des elektrischen
Stroms bei.
Entsprechend dieser Vorstellung haben Isolatoren wie Gläser ein unbesetztes Leitungs-
band und eine sehr große Bandlücke (∆ E > 3 eV, siehe Abb. 4.63 a). Bei Raumtemperatur
und auch bei deutlich höheren Temperaturen können in ihnen nur wenige Elektronen
mit Hilfe thermischer Anregung vom Valenz- ins Leitungsband überführt werden. In der
Folge haben sie einen hohen elektrischen Widerstand. Das Leitungsband kann aber teil-
weise gefüllt werden, indem Elektronen aus dem Valenzband durch Lichtabsorption die
Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband überwinden. Dazu ist Licht mit einer
Energie notwendig, die eine bestimmte untere Grenze überschreitet, die gerade durch die
Größe der Energielücke gegeben ist.
Ähnlich wie bei den Isolatoren liegen die Verhältnisse bei einem Halbleiter, jedoch
ist die Bandlücke hier relativ klein, typischerweise (1eV < ∆ E < 3eV, vergleiche hierzu
Abb. 4.63 b), so dass diese durch thermische oder optische Energiezufuhr leichter über-
wunden werden kann. Ein Elektron kann ins Leitungsband angehoben werden und ist hier
frei beweglich. Zugleich hinterlässt es im Valenzband eine Lücke, die durch benachbarte
Elektronen aufgefüllt werden können. Halbleiter besitzen daher ausgeprägte Absorptions-
banden mit einer scharfen Kante bei einer maximalen Wellenlänge. Aber auch hier gilt:
Bildet der Halbleiter mit der Luft eine ideale Grenzfläche, so ist sein Reflexionsvermögen
bei solchen Wellenlängen besonders groß, für die er einen großen Absorptionskoeffizien-
ten (Extinktionskoeffizienten) µ besitzt.
Die Abb. 4.64 illustriert diese Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten µ verschiede-
ner Halbleiter von der Wellenlänge λ im sichtbaren und im nahen Infrarotbereich.
Die Abbildung zeigt eine scharfe Abbruchkante des Absorptionskoeffizienten aller
Halbleiter bei Überschreitung einer bestimmten Wellenlänge. Um die Reflexion zu ver-
meiden, darf die Oberfläche nicht ideal sein. Das bedeutet, dass sich der Brechungsindex
nicht sprunghaft an der Grenzfläche verändern darf, sondern stetig über eine Strecke der
Größenordnung der Wellenlänge des absorbierten Lichts verläuft. Die Oberfläche einer
Fotozelle bedarf einer speziellen Behandlung. Wenn die Oberfläche bei Betrachtung rot