BLK-Programm Sinus  Set 2  Schleswig-Holstein
Gerd Boysen, Max-Planck-Schule Kiel, März 2001
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Thema: Energie - Photovoltaik
 
Das Wichtigste in Kürze: 
Aufgabe Physik 10, Wirkungsweise einer Fotodiode;
die Schüler lernen im Experiment die Umwandlung von Licht in elektrische Energie in einer Halbleiterdiode kennen, 
sie wenden erlernte Modellvorstellungen über den p-n-Übergang an, um das Phänomen zu erklären. 

1  Aufgabe

Versuch:

1. Eine durchsichtige Diode (z.B. eine Spitzendiode, siehe Foto) wird auf den Tageslichtprojektor gelegt; der Lehrer zeigt die p-und die n-Schicht.

2. Die Diode wird an ein empfindliches Stromstärkemessgerät angeschlossen und beleuchtet - mal mehr, mal weniger.

Aufgabe:
Beschreibe den Versuchsablauf und nenne das Versuchsergebnis!
Deute den Versuch im Modell!
 
 
2 Rahmendaten
Autor, Schule
Gerd Boysen, Max-Planck-Schule Kiel
Fach
Physik
Klasse / Jahrgang
10
Thema
Lehrplan Physik, Schleswig-Holstein, Gymnasien, Klassenstufe 10
Thema 3:  „Energieverbrauch“ und Energieerhaltung (16 Stunden)
Themenbereich: Energieversorgung, quantitative Betrachtungen zu Energieumwandlungen, 
ausgewählte Energieumwandlungen, quantitative Beispiele der lokalen Energieversorgung
Hier: elektrische Energie <=> Wärmeenergie (Solarzelle, Lampe)
Entwicklungsstand
erprobt
3 Lösungswege und Ergebnisse
- Zwischen den Raumladungen des p-n-Übergangs befindet sich ein elektrisches Feld (der p-Leiter hat durch eindiffundierte Elektronen eine negative Raumladung, der n-Leiter durch den entsprechenden Elektronenverlust eine positive Raumladung erhalten).

- Bei Lichteinfall auf die Grenzschicht werden Elektronen freigesetzt und Löcher gebildet; die Elektronen wandern auf Grund des elektrischen Feldes zum n-Leiter, die „Löcher“ zum p-Leiter – der Stromstärkemesser zeigt durch seinen Ausschlag, dass der n-Leiter negative Polarität bekommt.

- Je stärker die Beleuchtung, desto mehr Elektronen werden freigesetzt und umso mehr  „Löcher“ entstehen pro Zeit: die Stromstärke steigt entsprechend.

- Lichtenergie (Wärmeenergie) lässt sich in elektrische Energie umwandeln.
4 Unterrichtskontext
Kompetenzdefizite vor Einsatz der Aufgabe
 
Ziele
 
Erwartungen zur Wirkung
 
Fachliche Voraussetzungen
Die Schülerinnen und Schüler haben die Diode im Modell behandelt; sie wissen, dass bei einer in Sperrrichtung betriebenen Diode der Sperrstrom steigt, wenn die Grenzschicht beleuchtet wird. 
Enthaltene Wiederholung
Halbleiter, p-und n-Dotierung; Diode
Anforderungsbereiche
II
Unterrichtsphase
siehe Voraussetzzungen
Sozialform
Lehrer-Schüler-Demonstrationsexperiment 
Außerfachliche Bezüge
 
5 Bearbeitung durch die Schüler
Motivationswirkung
sehr gut – wohl weil das Ergebnis überraschend ist
Bearbeitungsdauer
Versuch: 45 Minuten
Ergebnisse
Die Erklärung gelang schnell, weil eine Schülerin sofort deutete, dass sich die Grenzschicht bei Beleuchtung erwärmt und so Ladungsträger freigesetzt werden.
Fehler, Probleme
 
Vorschläge für Hilfe und Differenzierung
 
6 Auswertung der Bearbeitung
Dauer
45 Minuten
Folge-/Zusatzaufgabe
Konstruktion von Photovoltaikanlagen. Technische Daten 
Beitrag zum folgenden Unterricht
Bedeutung additiver (alternativer) Energien 
Leistungsmessung
Bewertung sachlicher Beiträge im Unterrichtsgespräch; 
Versuchsbeschreibungen und -deutungen in der Hausaufgabe 
7 Zusammenfassende Einschätzung
Erfahrungen beim Aufgabeneinsatz
 Ein Schülerinnen und Schüler überraschender und so motivierender  Versuch, der überraschenderweise mit einfachen Modellvorstellungen gedeutet werden kann
Verbesserungen
 
8 Hinweise
Tipps zum Experiment
 
Materialien, Literatur
 
Sonstige Bemerkungen