Waarom gebruikt men halfgeleidermaterialen bij zonnecellen en LED's?

Waarom zijn bepaalde materialen wel geschikt om er zonnecellen of LED's van te maken en andere dan weer niet? De grootste bepalende factor hierbij is of dat het materiaal de juiste 'bandgap' heeft. In een notendop, bandgaps hebben te maken met hoe elektronen zich gedragen en waarvan ze opgewonden worden. Voor wie het niet duidelijk is wat elektronen juist zijn, wel elektronen zijn zeer kleine subatomaire deeltjes die een negatieve lading bevatten en deze bewegen rond de nucleus of de atoomkern. Wanneer meerdere elektronen zich samen verplaatsen in dezelfde richting, dan vormen zij elektriciteit.

In een atoom kunnen de elektronen een reeks van mogelijke toestanden aannemen - een dergelijke toestand wordt bepaald door hun energie-niveau, impuls, en draairichting - en er is een bepaalde kansverdeling voor welke toestand een elektron gaat aannemen. Maar het is wel zo dat 2 elektronen niet op hetzelfde moment, dezelfde toestand kunnen aannemen. Voor elk atoom zijn bepaalde toestanden mogelijk en andere dan weer onmogelijk. De verzameling van de mogelijke toestanden van de elektronen vormen een soort regio aan mogelijkheden. Een dergelijke regio wordt een 'band' genoemd. Maar het is niet altijd zo dat alle mogelijke toestanden mooi naast elkaar liggen. Daardoor kunnen er meerdere 'bands' ontstaan die niet mooi naast elkaar aansluiten. De verzamelingen van onmogelijke toestanden voor de elektronen van het atoom die tussen de 'bands' liggen, worden 'bandgaps' genoemd. Voor ieder atoom is de ligging van deze 'bands' en 'bandgaps' verschillend.

In een atoom zitten de elektronen op verschillende discrete Bands. De band die het verst van de kern verwijdert is, wordt ook wel 'valentieband' genoemd. De eerstvolgende band, na de 'valentieband' wordt de 'geleidingsband' genoemd. In de 'geleidingsband' kunnen de elektronen vrij gemakkelijk het atoom weer verlaten omdat relatief ver van de kern verwijderd zijn.

Bij sommige materialen overlapt de 'geleidingsband' de 'valentieband' en dit zorgt ervoor dat het materiaal elektriciteit geleidt. Want elektriciteit is een stroom elektronen en deze kunnen zich vrij verplaatsen van het ene atoom naar het andere. Deze groep materialen worden de metalen genoemd. Bij andere materialen liggen de 'geleidingsband' en de 'valentieband' ver uit elkaar en dus is er een grote 'bandgap' tussen deze twee. Dit zorgt ervoor dat het materiaal geen elektriciteit gaat geleiden omdat elektronen niet van het ene atoom naar het andere kan verplaatsen. Deze groep materialen worden de isolatoren genoemd.

Maar er is ook nog een derde groep materialen en deze zijn de interessantste. Dit komt doordat bij deze atomen de 'geleidingsband' niet overlapt met 'valentieband' maar ze liggen wel niet ver van elkaar. Dit zorgt er dus voor dat ze een zeer smalle 'bandgap' tussen de 'geleidingsband' en de 'valentieband' hebben in vergelijking met de isolatoren. Deze groep materialen worden de half-geleider materialen genoemd. De naam half-geleider komt doordat ze zich soms gedragen als een geleider, of soms als een isolatoren maar soms gedragen ze zich deels als geleider en deels als isolator.

Toen men dit 'abnormale' gedrag van deze materialen voor het eerst ontdekte, werden deze materialen als nutteloos beschouwd door hun variabel gedrag. Maar dit veranderde snel eens fysici het verband tussen het gedrag en de grootte van hun 'bandgap' tussen de 'geleidingsband' en de 'valentieband' vaststelden. Deze relatie is dan ook verantwoordelijk voor het gebruik van half-geleider materialen bij de fotonica. Fotonica of opto-elektronica is de wetenschappelijke en technische discipline die zich bezighoudt met de wisselwerking tussen licht en elektronen.

Wanneer bijvoorbeeld een atoom opwarmt of wanneer er bepaalde lichtstralen invallen op het atoom, dan valt er een elektromagnetische straling in op het atoom. Bepaalde elektromagnetische stralingen bevatten fotonen. Wanneer een foton, die genoeg energie bevat, invalt op een elektron dan kan het elektron geëxiteerd worden. Wanneer dit gebeurt, dan springt het elektron van de ene 'band' naar de andere 'band' springen. Wanneer er tussen deze twee 'bands' een 'bandgap' ligt dan springt het elektron daar over. Wanneer het elektron dan van de 'valentieband' naar de 'geleidingsband' springt, dan ontstaat er een elektrische stroom doorheen het materiaal. Dit is wat er gebeurt wanneer er zonnestralen invallen op een zonnecel. Op deze manier wordt er een stroom aan elektronen geleverd en ontstaat dus de elektrische stroom.

Maar ook het omgekeerde kan gebeuren namelijk wanneer er elektriciteit stroomt doorheen het half-geleider materiaal, dan kan het zijn dat er elektronen van 'geleidingsband' over de 'bandgap' naar de 'valentieband' springen. Bij deze sprong komt er dan een foton, met een bepaalde energie-inhoud, vrij. Bij bepaalde materialen zorgt deze vrijgekomen foton dat er licht uitgestraald wordt. Dit is wat er gebeurt in een LED.

Een dergelijke half-geleider materiaal is silicium. De 'bandgap' van silicium net breed genoeg maar toch niet te breed zodat elektronen erover kunnen springen wanneer ze geraakt worden door een foton afkomstig van een zichtbaar lichtstraal. Maar er bestaan ook nog andere half-geleider materialen.

via [MIT]