Halbleiterumwandlung

Halbleiterumwandlung bezeichnet die Umwandlung von Energieformen durch Halbleiterbauelemente. Typische Richtungen sind die Umwandlung von elektrischer Energie in Licht (Lichtemission) und von Licht in elektrische Energie (Lichtdetektion). Daneben gibt es thermoelektrische Umwandlung, bei der Temperaturunterschiede in elektrische Energie überführt werden, sowie weitere Energieumwandlungen in Sensoren, Kommunikationstechnik und Energiesystemen. Die Leistungsfähigkeit hängt von der Bandlücke, dem Dotierungsprofil und der Bauart der Junction ab.

Elektrisch zu Licht: Leuchtdioden (LEDs) und Laserdioden erzeugen Licht durch Rekombination von Elektronen und Löchern; die Emission erfolgt meist in der Nähe der Bandlücke des Materials. Licht zu elektrisch: Photodioden, Solarzellen und Sensoren erzeugen aus absorbiertem Licht Elektronen-Löcher-Paare und nutzen elektrische Felder zur Trennung der Ladungen; die Effizienz wird durch innere und äußere Quanteneffizienz, Spektralantwort und Verluste bestimmt.

Thermoelektrische Umwandlung nutzt den Seebeck-Effekt: Halbleiter mit geeigneten Eigenschaften wandeln Temperaturunterschiede in elektrische Spannungen um; umgekehrt ermöglichen Peltier-Elemente Kühlung. Anregungen aus Abwärme oder Temperaturgradienten lassen sich so direkt in Elektrizität wandeln, oder Wärme durch Stromfluss transportieren.

Materialien und Struktur: Silizium, Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Cadmiumtellurid (CdTe) und Perowskit-Verbindungen spielen eine zentrale Rolle; moderne Bauelemente verwenden pn- oder Heterojunctions, Mehrfach- oder Quantenstruktur-Ansätze, um Bandlücke, Lebensdauer und Effizienz zu optimieren.

Anwendungen und Bedeutung: Solarenergie, optische Kommunikation, Beleuchtung, Sensorik und Energiespeicherung; Grenzen ergeben sich aus physikalischen Limiten wie dem Shockley-Queisser-Limit in Solarzellen sowie praktischen Verlusten. Die Halbleiterumwandlung bleibt ein zentrales Feld für nachhaltige Energie, Lichttechnik und digitale Technologien.