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Solarzellen Wolfgang Scheibenzuber, Christian Müller.

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Präsentation zum Thema: "Solarzellen Wolfgang Scheibenzuber, Christian Müller."—  Präsentation transkript:

1 Solarzellen Wolfgang Scheibenzuber, Christian Müller

2 2/30 Überblick 1. Einleitung - Historie - Entwicklung - Sonneneinstrahlung 2. Festkörperphysikalische Grundlagen - Bandstruktur - Halbleiter - Absorbtion von Licht - Der p-n-Übergang - Anwendung auf Solarzelle 3. Solarzellen auf Silizium-Basis - Konventionelle Solarzellen - Dünnschicht-Solarzellen

3 3/30 Einleitung - Historie 1839: Entdeckung des photovoltaischen Effekts durch A.E. Becquerel 1839: Entdeckung des photovoltaischen Effekts durch A.E. Becquerel 1873: Photoleitfähigkeit von Selen 1873: Photoleitfähigkeit von Selen 1883: Erste Photozelle aus Selen 1883: Erste Photozelle aus Selen 1899: Nachweis des Photoeffekts durch Lennard 1899: Nachweis des Photoeffekts durch Lennard 1905: Erklärung durch Einstein mittels Quantentheorie 1905: Erklärung durch Einstein mittels Quantentheorie 1947: Entdeckung des p-n-Übergangs durch Shockley, Brattain, Bardeen 1947: Entdeckung des p-n-Übergangs durch Shockley, Brattain, Bardeen 1953: Entwicklung der ersten Solarzelle aus Silizium bei Bell Labs durch Chaplin, Fuller, Pearson Wirkungsgrad: 4 – 6% 1953: Entwicklung der ersten Solarzelle aus Silizium bei Bell Labs durch Chaplin, Fuller, Pearson Wirkungsgrad: 4 – 6% 1958: Erster praktischer Einsatz im Satelliten Vangard I 1958: Erster praktischer Einsatz im Satelliten Vangard I 1976: Gründung des DOE in den USA, Solarzellen auch für terrestrische Energieversorgung 1976: Gründung des DOE in den USA, Solarzellen auch für terrestrische Energieversorgung

4 4/30 Einleitung - Entwicklung Exponentieller Zuwachs während der letzten Dekaden Exponentieller Zuwachs während der letzten Dekaden MWp : MegaWatt peak, Leistung bei „Standardbedingungen“, durchschnittliche Leistung: ~20% MWp MWp : MegaWatt peak, Leistung bei „Standardbedingungen“, durchschnittliche Leistung: ~20% MWp

5 5/30 Einleitung - Kosten Wirtschaftliche Energieversorgung erreicht bei ~ 2 cent/kWh, entspricht 0,40 US$/Wp Wirtschaftliche Energieversorgung erreicht bei ~ 2 cent/kWh, entspricht 0,40 US$/Wp BOS: balance-of-system costs, Kosten für nicht- photovoltaische Teile der Solaranlage BOS: balance-of-system costs, Kosten für nicht- photovoltaische Teile der Solaranlage Shockley-Queisser Limit: Grenze für Wirkungsgrad bei thermischer Relaxation Shockley-Queisser Limit: Grenze für Wirkungsgrad bei thermischer Relaxation

6 6/30 Einleitung - Sonneneinstrahlung Gesamte eingestrahlte Leistung auf Erde: TW (= 13000x momentaner Stromverbrauch) Gesamte eingestrahlte Leistung auf Erde: TW (= 13000x momentaner Stromverbrauch) Absorbtion von Licht in Atmosphäre ist abhängig vom zurückgelegten Weg („air mass AMx“) Absorbtion von Licht in Atmosphäre ist abhängig vom zurückgelegten Weg („air mass AMx“)

7 7/30 Einleitung - Funktionsprinzip 1.Lichtabsorbtion 2.Anregung 3.Bewegung der Ladungsträger 4.Keine Rekombination 5.Ladungstrennung 6.Elekroden

8 8/30 Überblick 1. Einleitung - Historie - Entwicklung - Sonneneinstrahlung 2. Festkörperphysikalische Grundlagen - Bandstruktur - Halbleiter - Absorbtion von Licht - Der p-n-Übergang - Anwendung auf Solarzelle 3. Solarzellen auf Silizium-Basis - Konventionelle Solarzellen - Dünnschicht-Solarzellen

9 9/30 Grundlagen - Bandstruktur Anordnung der Atome zu periodischem Kristallgitter (hier: Silizium) Überlapp der Elektronenorbitale Ausbildung von Energie- Bändern, Bandlücken

10 10/30 Grundlagen - Bandstruktur Bandstruktur gibt Energie-Impuls-Beziehung für Elektronen Bandstruktur gibt Energie-Impuls-Beziehung für Elektronen Elektronen sind Fermionen  Jeder Energie-Zustand nur einfach besetzbar Elektronen sind Fermionen  Jeder Energie-Zustand nur einfach besetzbar Volle und leere Bänder tragen nichts zum Stromfluss bei Volle und leere Bänder tragen nichts zum Stromfluss bei

11 11/30 Grundlagen - Bandstruktur Beispiele:

12 12/30 Grundlagen - Halbleiter Metall: oberstes Band nur teilweise besetzt Metall: oberstes Band nur teilweise besetzt  Leitfähigkeit groß Halbleiter/Isolator: Bänder, die Elektronen enthalten sind vollständig besetzt Halbleiter/Isolator: Bänder, die Elektronen enthalten sind vollständig besetzt  Leitfähigkeit gering Unterschied: Größe der Bandlücke, bei Halbleitern thermische Anregung von Ladungsträgern möglich Unterschied: Größe der Bandlücke, bei Halbleitern thermische Anregung von Ladungsträgern möglich E F : Chemisches Potential E F : Chemisches Potential

13 13/30 Grundlagen - Halbleiter Dotierung: Einbringen von Fremdatomen zur Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration Dotierung: Einbringen von Fremdatomen zur Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration Dadurch Veränderung des chem. Potentials in Richtung LB (n-Dotierung, mehr Elektronen) bzw. VB (p-Dotierung, mehr Löcher) Dadurch Veränderung des chem. Potentials in Richtung LB (n-Dotierung, mehr Elektronen) bzw. VB (p-Dotierung, mehr Löcher) Zwei Arten von Ladungsträgern: Elektronen und Löcher (da nicht gefülltes Valenzband ebenfalls Strom trägt) Zwei Arten von Ladungsträgern: Elektronen und Löcher (da nicht gefülltes Valenzband ebenfalls Strom trägt) fehlendes Elekron im Valenzband  Loch

14 14/30 Grundlagen – Absorbtion von Licht Absorbtion eines Photons möglich, wenn ℏ  > E g Absorbtion eines Photons möglich, wenn ℏ  > E g Photonen geringerer Energie werden transmittiert Photonen geringerer Energie werden transmittiert Elektron wird aus Valenzband in Leitungsband angeregt Elektron wird aus Valenzband in Leitungsband angeregt  Elektron-Loch-Paar Umgekehrter Effekt: Rekombination Umgekehrter Effekt: Rekombination

15 15/30 Grundlagen – Absorbtion von Licht Unterscheide direkte und indirekte Übergänge: - direkt: Ohne Impulsübertrag, hohe Wahrscheinlichkeit - indirekt: Impulsübertrag durch Phonon, geringe Wahrscheinlichkeit Direkter Übergang (z.B. GaAs) Indirekter Übergang (z.B. Ge)

16 16/30 Grundlagen – Absorbtion von Licht Absorbtion im Festkörper folgt exponentiellem Gesetz I = I 0 e -x Absorbtion im Festkörper folgt exponentiellem Gesetz I = I 0 e -x Absorbtionskonstante  ist abhängig von Photon- Energie und Art des Übergangs Absorbtionskonstante  ist abhängig von Photon- Energie und Art des Übergangs

17 17/30 Grundlagen – p-n-Übergang Kontaktiere p-dotierte mit n-dotierter Schicht Kontaktiere p-dotierte mit n-dotierter Schicht Chemisches Potential unterschiedlich auf beiden Seiten Chemisches Potential unterschiedlich auf beiden Seiten  Ladungsträgerdiffusion  Raumladungszone, elektrisches Feld

18 18/30 Grundlagen – p-n-Übergang Gleichgewicht: Diffusionsstrom und Driftstrom kompensieren sich Gleichgewicht: Diffusionsstrom und Driftstrom kompensieren sich V bi : Eingebautes Potential durch Raumladungszone V bi : Eingebautes Potential durch Raumladungszone

19 19/30 Grundlagen – p-n-Übergang Verhalten bei angelegter Spannung: „Vorwärts- Schaltung“: Diffusions- strom verstärkt „Vorwärts- Schaltung“: Diffusions- strom verstärkt „Rückwärts- Schaltung“: Diffusions- strom geschwächt „Rückwärts- Schaltung“: Diffusions- strom geschwächt Driftstrom konstant Driftstrom konstant

20 20/30 Grundlagen – p-n-Übergang Kennlinie des p-n-Übergangs:

21 21/30 Grundlagen - Solarzelle Driftstrom hängt in erster Linie von Minoritätsladungsträgerdichte ab Driftstrom hängt in erster Linie von Minoritätsladungsträgerdichte ab Eingestrahlte Photonen regen e-h-Paare an Eingestrahlte Photonen regen e-h-Paare an  Mehr Minoritätsladungsträger, die im E-Feld der Raumladungszone getrennt werden und abfließen  Leistung kann abgegriffen werden, Füllfaktor: P max /(U max I max )

22 22/30 Grundlagen - Solarzelle Verluste: Nicht alle einfallenden Photonen werden absorbiert Nicht alle einfallenden Photonen werden absorbiert Angeregte Ladungsträger können rekombinieren Quantenausbeute:  = i / ej ph (bei Si: bis zu 90%) Angeregte Ladungsträger können rekombinieren Quantenausbeute:  = i / ej ph (bei Si: bis zu 90%) Thermalisierungsverluste: höhere Zustände in Bändern relaxieren spontan Thermalisierungsverluste: höhere Zustände in Bändern relaxieren spontan Widerstände reduzieren nutzbare Leistung Widerstände reduzieren nutzbare Leistung

23 23/30 Grundlagen - Zusammenfassung Energiebänder im Halbleiter durch Bandlücke getrennt Energiebänder im Halbleiter durch Bandlücke getrennt Photonabsorbtion regt Elektron vom Valenzband ins Leitungsband an Photonabsorbtion regt Elektron vom Valenzband ins Leitungsband an  Elektron-Loch-Paar Elektronen und Löcher werden im elektrischen Feld der Raumladungszone getrennt und fließen ab Elektronen und Löcher werden im elektrischen Feld der Raumladungszone getrennt und fließen ab p-n-Übergang: Raumladungszone durch Ladungsträgerdiffusion p-n-Übergang: Raumladungszone durch Ladungsträgerdiffusion

24 24/30 Überblick 1. Einleitung - Historie - Entwicklung - Sonneneinstrahlung 2. Festkörperphysikalische Grundlagen - Bandstruktur - Halbleiter - Absorbtion von Licht - Der p-n-Übergang - Anwendung auf Solarzelle 3. Solarzellen auf Silizium-Basis - Konventionelle Solarzellen - Dünnschicht-Solarzellen

25 25/30 Si-Solarzellen - konventionell Konventionelle Solarzelle aus einkristallinem oder polykristallinem Silizium (c-Si bzw. p-Si):

26 26/30 Si-Solarzellen - konventionell Herstellung : Metallurgisches Si: Quarzsand SiO 2 + C → Si + CO 2 Metallurgisches Si: Quarzsand SiO 2 + C → Si + CO 2 „electronic grade“ Si: CVD- Abscheidung von SiHCl 3 „electronic grade“ Si: CVD- Abscheidung von SiHCl 3  Polykristallines Si (Korngröße: ~1cm) Czochralski-Verfahren: Keimkristall aus Si-Schmelze ziehen Czochralski-Verfahren: Keimkristall aus Si-Schmelze ziehen  Einkristallines Si (Verunreinigungen < cm -3 ) p-n-Übergang durch Eindiffundieren von Phosphor p-n-Übergang durch Eindiffundieren von Phosphor Elektrodenauftragung durch Siebdruck mit Al-Paste (800°C) Elektrodenauftragung durch Siebdruck mit Al-Paste (800°C)

27 27/30 Si-Solarzellen - konventionell Einkristallin vs. teuer 15% - 17% (kommerziell) 24% (Labor) 30% (2001) Jahre Polykristallin billiger, da Czochralski Prozess entfällt 13% - 15% (kommerziell) 20% (Labor) (Grund: „dangling bonds“ und Verunreinigungen) 57% (2001) Jahre Herstellung:Wirkungsgrad: Anteil an der Produktion:Amortisation:(energetisch)Degradation: 10% - 13% in 20 – 25 Jahren

28 28/30 Si-Solarzellen - Dünnschicht Merkmale: pin-Design: größere Raumladungszone pin-Design: größere Raumladungszone amorphes Si: bessere Absorbtion wg. direktem Übergang (andere Materialien möglich!) amorphes Si: bessere Absorbtion wg. direktem Übergang (andere Materialien möglich!) stab. Wirkungsgrad: stab. Wirkungsgrad: 6% (kommerziell) 6% (kommerziell) 9% (Labor) Starke Degradation im ersten Jahr (25%) Starke Degradation im ersten Jahr (25%) Energetische Amortisation schon nach 3 Jahren Energetische Amortisation schon nach 3 JahrenAufbau:

29 29/30 Si-Solarzellen - Dünnschicht Herstellung: Aufbringung des TCO auf Glassubstrat durch Magnetronsputtern (Ionenbeschuss) Aufbringung des TCO auf Glassubstrat durch Magnetronsputtern (Ionenbeschuss) PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) von a-Si, Zusetzen von Diboran oder Phosphin für Dotierung, dabei Wasserstoff-Einbau (a-Si:H) PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) von a-Si, Zusetzen von Diboran oder Phosphin für Dotierung, dabei Wasserstoff-Einbau (a-Si:H) Elektrodenaufbringung durch Siebdruck Elektrodenaufbringung durch Siebdruck polykristallines Si durch andere Prozessführung möglich, aber: schlechtere Absorbtion  light-trapping nötig polykristallines Si durch andere Prozessführung möglich, aber: schlechtere Absorbtion  light-trapping nötig Vorteile: Modulgröße nicht beschränkt durch Si-Wafer Modulgröße nicht beschränkt durch Si-Wafer Weniger Energieaufwand Weniger Energieaufwand  Kostengünstigere Herstellung

30 30/30 Si-Solarzellen - Zusammenfassung Konventionelle Solarzellen aus mono- und polykristallinem Si: Wirkungsgrad bis 25% Wirkungsgrad bis 25% Amortisationszeit: 4 – 6 Jahre Amortisationszeit: 4 – 6 Jahre Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Si: Wirkungsgrad nur bis ~10% Wirkungsgrad nur bis ~10% Herstellung billiger Herstellung billiger Amortisationszeit: 3 Jahre Amortisationszeit: 3 Jahre


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