Vraag 25

Antwoord:

Door: Garmt de Vries-Uiterweerd | Datum: Zondag 30 mei 2021, 17:25 uur

@Martijn: heel leuk creatief idee. Maar voor bolletjes 1 en 2 mag je niet een "consequente" keuze maken, het moet de "juiste" keuze zijn.

Door: Martijn van Aken | Datum: Zondag 30 mei 2021, 22:04 uur

Alternatieve oplossing. Natuurkundig correct? Het antwoordmodel is een voorbeeld van een antwoord.
Ik vraag me dus af of dit als een alternatief antwoord (en dan dus hele andere keuzes voor 1e 2 bolletjes) kan worden gezien.

Door: Garmt de Vries-Uiterweerd | Datum: Zondag 30 mei 2021, 22:44 uur

Daarmee zet je de deur wel heel wijd open voor allerlei interpretaties van wat nog correct kan zijn. Natuurkundig is er maar één volgorde juist, dus ik denk niet dat die route veel mogelijkheid biedt.

Door: Martijn van Aken | Datum: Zondag 30 mei 2021, 23:59 uur

Wat is er natuurkundig dan niet juist aan mijn (door het antwoord van de leerling geinspireerde) verhaal?

Door: Robben | Datum: Maandag 31 mei 2021, 00:00 uur (Bewerkt op: 31-05-2021 00:06)

@Martijn van Aken:

De redenering van jouw leerling is precies de redenering die ik zelf bedacht toen ik het examen gisteren zelf maakte. Ik werd op dat pad gezet door twee zaken:

- De bandgaps van InSb, PbSe en Ge liggen volgens Binas 19 in het infraroodgebied, wat ik dus realistisch achtte voor de absorptie van warmtestraling bij de temperaturen die ik verwacht voor zonnepanelen die warm worden door energie-overschot..

- In de opgave wordt benadrukt dat de laagjes dun zijn en dus fotonen doorlaten. Uit het antwoord in het CV maak ik op dat hiermee wordt bedoeld dat ze (vrijwel) alle fotonen met grotere energie dan de bandgap absorberen en de fotonen met kleinere energie dan de bandgap doorlaten. Maar dit staat niet in de opgave. Daar staat gewoon dat de laagjes zo dun zijn dat ze fotonen doorlaten. Ik interpreteerde dat als dat de meeste fotonen ongestoord door de laagjes heen zouden gaan en dat je ze dus moest beschouwen als dat ze als eerste het silicium raken. 

Met andere woorden: ik vind het nog steeds een erg onduidelijke vraag en ik vind het antwoord van jouw leerling, afhankelijk van de gegeven uitleg, mogelijk meer dan 0p waard. 

Ik had mezelf 2p toegekend: deelscore 1 en 2 niet, maar 3 en 4 wel, omdat ik voor de IR-fotonen waar ik vanuit ging wel had aangehouden dat de fotonen met de hoogste energie het eerst geabsorbeerd zouden worden (dus het onderste laagje tegen Si) (4e deelscore) en dat kleine badgaps nodig zijn om fotonen met lage energie te absorberen (vond ik overeenkomen met deelscore 3)..

Gelukkig scoren veel van mijn leerlingen deze vraag beter dan ikzelf :-)

Door: Garmt de Vries-Uiterweerd | Datum: Maandag 31 mei 2021, 08:22 uur

Met zo'n heldere, stapsgewijze uitleg snap ik waar het idee vandaan komt, en zou ik bol 3 en 4 zeker verdedigbaar vinden. Wat je dan met bol 1 en 2 moet, is de vraag. De natuurkunde is min of meer juist (voor warmtestraling met 0,23 eV fotonen heb je al een temperatuur van een paar honderd K nodig, daar zou een alarmbel moeten afgaan), maar is dat goed genoeg voor een alternatieve methode waarmee je de strikte formulering van het cv kunt overrulen?

Je moet bij zo'n alternatief verhaal altijd goed opletten wat de leerling bedoelt. Leerlingen formuleren doorgaans net wat minder helder dan de collega's hier op het forum :) Veel leerlingen denken dat een foton door zo'n laagje kan gaan, een hoeveelheid energie ter grootte van de bandgap kan afstaan, en dan vrolijk doorgaan naar het volgende laagje met de rest van de energie. 

Door: Hans Kramer | Datum: Maandag 31 mei 2021, 10:46 uur

@Martijn van Aken en @Robben
Volgens mij scoort een leerling die van hoog naar laag InSb-PbSe-Ge neemt (om zo de van het Silicium afkomstige warmtestraling te absorberen) en daarbij uitlegt hij eerst de fotonen met hoogste energie moet absorberen inderdaad het derde en vierde bolletje.

Door: Vermeulen | Datum: Dinsdag 1 juni 2021, 21:25 uur (Bewerkt op: 01-06-2021 21:54)

Ik heb bijna 50% leerlingen die voor de kleine bandgaps gaan. De uitleg varieert (soms ontbreekt ze) maar ze komen neer op het reduceren van de fotonenergie om zo de warmteafgifte te reduceren en zo het rendement te verhogen. Ze blijven daarbij netjes binnen de syllabus en de vraag, maar helemaal fysisch klopt het dan niet meer natuurlijk. Hoewel ze niet alles opschrijven komen ze wel bijna alle maal tot dezelfde drie stoffen in dezelfde volgorde.

Om dat 3.3 te kunnen scoren (je moet wat) heb ik de volgende alternatieve oplosing gemaakt met score. Graag commentaar, suggesties, etc. De score rammelt nog maar dat komt ook omdat het fysisch niet dicht zit....

Voorbeeld van een antwoord:

Om het rendement te verhogen worden dunne laagjes van andere halfgeleiders op het silicium aangebracht. Het rendement wordt nadelig beïnvloed doordat een overschot aan energie van de fotonen aan het silicium wordt afgegeven in de vorm van warmte.
De laagjes moeten dus zo goed mogelijk de energie van de fotonen reduceren en daarbij het proces in het silicium zo min mogelijk verstoren.
De laagjes zijn zo dun dat fotonen erdoorheen kunnen gaan dus blijkbaar is er een effect waardoor de fotonen een deel van hun energie kunnen afstaan aan de boven het silicium liggende laagjes, volgens de quantumtheorie is dat dan een energiehoeveelheid ter grootte van de bandgap.
Het betreft zonnecellen voor zonlicht dus we nemen aan dat de fotonen een golflengte van ongeveer zichtbaar licht hebben met Ef van 1,7 eV (rood) - 3,0 eV (violet). Wil er nog voldoende voor de energieopwekking in silicium overblijven dan moet de energie van de verschillende fotonen worden gereduceerd tot minimaal 1,1 eV dus met 0,6 - 1,6 eV. Om de energie van de fotonen te reduceren kunnen we dus stoffen gebruiken met een bandgap < 1,6 eV.
Dat zijn InSb (0,23 eV), PbSe (0,27 eV) en Ge (0,72).
Het is niet duidelijk of fotonen één keer of meerdere keren energie onderweg kunnen afgeven, of zelfs binnen één materiaal 2x, maar ze kunnen er door, en ze kunnen energie afgeven.
Hoe de volgorde dan bepaald moet worden is hiet helder omdat het proces niet bekend is, maar het lijkt logisch om de bandgapgrootte van boven af op te bouwen, van klein naar groot, want de lichtfotonen met de laagste energie (rood) kunnen dan energie afgeven aan de bovenste twee laagjes en zonder interactie met het Ge hebben ze dan juist genoeg energie om in Si een elektron los te maken en de fotonen met de hoogste energie kunnen een flink deel van hun overschot afgeven aan alle drie de laagjes.
De volgorde is dan van boven af: InSb, PbSe, Ge, (Si)

Score:
• Inzicht dat het rendement van Si verbeterd wordt door minder warmte (mag impliciet)
• Inzicht dat fotonen dan deels hun energie moeten  verliezen vóór ze Si treffen. (mag impliciet)
• Keuze voor InSb, PbSe, Ge
• Met stofkeuze consequente Uitleg (mag ook als p3 niet toegekend)
NB. Er zijn geen sluitende redenen voor een volgorde in de tekst of syllabus te vinden, dus deze zijn n.v.t.

Door: Garmt de Vries-Uiterweerd | Datum: Dinsdag 1 juni 2021, 23:06 uur

Een mooie poging om regel 3.3 in het keurslijf van vraag 25 te kneden.

Het grote probleem dat ik met de uitleg zie, is dat de fotonenergie nu juist niet met stukjes en beetjes gereduceerd kan worden. Dat is niet hoe de interactie tussen fotonen en deze halfgeleider werkt. Het elektron neemt alle energie van het foton op, of helemaal niets. Een gedeelte kan niet. Leerlingen behoren dit te weten. Daarmee komt het hele verhaal over stapgewijs afromen van overtollige fotonenergie op losse schroeven te staan.

Hooguit kan ik me een proces voorstellen waarbij fotonen met nog steeds een energie groter dan de bandgap elektronen naar de geleidingsband tikken, waarna de elektronen binnen de geleidingsband energie afstaan door botsingen met het materiaal, en ten slotte de bandgap weer oversteken, terug naar de valentieband (aangenomen dat daar nog altijd gaten zitten van de aangeslagen elektronen, wat niet of nauwelijks het geval zal zijn als de zonnecel zich in een schakeling bevindt en stroom levert). Bij het terugvallen naar de valentieband zou dan weer een foton vrijkomen met een energie ter grootte van de bandgap, dus een lagere energie dan het oorspronkelijke foton. Die nieuwe fotonen zouden dan door kunnen gaan naar de volgende laag, waar het verhaal zich herhaalt. Maar dit vereist dat de bandgap van de laag eronder kleiner is dan die van de eerste laag, anders werkt dit idee niet. En zo zitten we toch weer met de volgorde van hoog naar laag.

Los van dit alles is het cv heel stellig: de eerste twee punten zijn alleen te behalen met de juiste materialen en de juiste volgorde, niet met een consequente keuze. Het is goed of het is fout, en dat staat los van alle mogelijke uitleg die je erbij geeft. Tijdens de kringbespreking is dit nog eens benadrukt. (Denk aan Schippers vs Wüst: daar moest je ook eerst een tijdstip geven en daarna pas uitleggen waarom het dat tijdstip moest zijn; toen kon je ook niet met "consequente keuze" aan de slag. Ik begrijp niet waarom je een vraag zo zou willen structureren...)

Door: Vermeulen | Datum: Dinsdag 1 juni 2021, 23:28 uur (Bewerkt op: 01-06-2021 23:35)

@ Garmt:  Eerst één woord:  Compton effect.....  (oh nee, twee)

Bedankt voor het meedenken. En natuurlijk snap ik dat het fysisch niet klopt, maar ik zie geen fysisch kloppende oplossing binnen syllabus én vraag. Het gegeven antwoordmodel valt daar m.i..echt buiten omdat het vrij sterk warmtereductie suggereert, en geen suggestie over foto-voltaisch effect. Dat laatste had volgens mij wel gemoeten, want het is geen syllabusstof. En daarmee valt voor mij de bodem uit deze vraag, en kan ik zelf ook wel wat verzinnen, zoveel mogelijk binnen de syllabus.

Het valt mij ook echt op dat de leerlingen die over het algemeen beter nadenken NIET tot het CV-antwoord komen, maar tot "de mijne". Dat zou in de computers van CvTE toch moeten opvallen denk ik, althans, dat is me ooit verteld op een Woudschoten lezing.

Anyway, dank voor jouw visie.