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ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Halbleiter mit p/n - Übergang Photozelle ohne Bestrahlung.

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Präsentation zum Thema: "ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Halbleiter mit p/n - Übergang Photozelle ohne Bestrahlung."—  Präsentation transkript:

1 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Halbleiter mit p/n - Übergang Photozelle ohne Bestrahlung

2 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Halbleiter mit p/n - Übergang Photozelle ohne Bestrahlung Der Diffusionsstrom (Richardson Gleichung): K = materialabhängige Kenngröße q =1, C U d = Diffusionsspannung k = Boltzmann-Konstante T = Temperatur Im Gleichgewichtszustand müssen sich die Feldströme und Diffusionsströme gegenseitig kompensieren: I Fe = Feldstrom I S = Sättigungsstrom

3 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Belasteter p/n - Übergang Durchlass-Richtung: Der Diffusionsstrom: Der Nettostrom: Die Gleichrichterformel: U Bei Raumtemperatur q/kT = 40 Volt -1

4 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Belasteter p/n - Übergang Sperr-Richtung: U Die Gleichrichterformel (U<<0): qU/kT

5 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Photozelle unter Bestrahlung

6 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Photozelle unter Bestrahlung Die Energie der Lichtquanten: h= Planksches Wirkungsquantum = Frequenz des absorbierten Lichts = Wellenlänge des absorbierten Lichts c= Lichtgeschwindigkeit die Energie E der absorbierten Lichtquanten muss den Bandabstand E übersteigen:

7 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Photozelle unter Bestrahlung - + Photoelektronenstrom

8 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Photozelle unter Bestrahlung =0 IKIK I K - der Kurzschlußstrom

9 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Photozelle unter Bestrahlung die Leerlaufspannung ( I b =0 ): U b = der Spannungsabfall am äußeren Widerstand R=U b /I b Der Strom im äußeren Stromkreis:

10 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Photozelle unter Bestrahlung Die Leistung der Solarzelle: Der Füllfaktor: Der Wigungsgrad: U bmax I bmax U b /V I b /mA I gl

11 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Absorption von Photonen, Verluste Photozelle Reflexionsverluste Abschattungsverluste Absorptionsverluste

12 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Reflexionsverluste amorphes Silicium Silicium ist metallisch blank (grau) und weist einen Reflexionskoeffizienten von ρ 30% auf Antireflexschichten (z.B. Titanoxid; Blaufärbung der Oberfläche) die optimale Dicke: /4, = 0,7 m der Reflexionsverlust für den Spektralbereich von 0,3 bis 1,1 m: 10% eine zusätzliche Schicht aus z.B. Magnesiumfluorid verringert die Reflexionsverluste auf 3%

13 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Reflexionsverluste Texturierung der Siliciumoberfläche die Restreflexion liegt unter 1%

14 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Abschattungsverluste die Lichtabschattung durch das Metallgitter beträgt bei älteren Zellen ca. 12 % neuere photolithographische Verfahren erlauben 30 m breite Stege herzustellen die Abschattung geht dann auf 3% zurück

15 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Absorptionsverluste E PH < E < E PH Photonen mit Energien kleiner als der Bandabstand E werden nicht absorbiert bei Silicium mit E=1,17 eV können so 23% des Sonnenspektrums nicht genutzt werden Photonen mit Energien E Ph > E werden von den Elektronen absorbiert die Energie E Ph - E geht verloren dadurch können 33% des Sonnenspektrums nicht durch Photoeffekte umgesetzt werden

16 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Die Absorption der Photonen in der Tiefe x des Halbleiters lässt sich mit der Abnahme des Photonenstroms beschreiben: = Absorptionskoeffizient Je nach Bandstruktur kann ein Photon vom Halbleiter direkt oder indirekt absorbiert werden Bei direkter Absorption besitzen die Oberkante des Valenzbandes und die Unterkante des Leitungsbandes den gleichen Impuls Beispiel: GaAs, = 10 4 cm -1 90% der auftreffenden Photonen sind nach 1 bis 3 m Eindringtiefe absorbiert Die Oberkante des Valenzbandes und die Unterkante des Leitungsbandes aufweisen nicht den gleichen Impuls indirekte Absorption Der Absorptionskoeffizient eines indirekten Absorbers ist viel kleiner Um eine 90%tige Absorption zu erreichen, müssen indirekte Halbleiter wie Silicium etwa 200 m dick sein

17 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Bandabstand Halbleiter mit kleiner Bandlücke nutzen den niederenergetischen Anteil des Sonnenspektrums: ein hoher Photostrom eine kleine Leerlauf- spannung Mit wachsendem Band- abstand: steigt die Leerlauf- spannung nimmt der Photostrom ab

18 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Rekombinationsverluste Auf dem Weg zu den jeweiligen elektrischen Leitern können z.B. Elektronen wieder mit Löchern rekombinieren, wobei die zuvor aufgenommene Energie als Wärme an den Kristall übergeht

19 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Rekombinationsverluste Die Rekombination in Kristall: Die Rekombination an der Kristalloberfläche: Beim Silicium betragen die Rekombinationsverluste 17,5% vom auftreffenden Licht Zur Reduzierung der Rekombi- nationsprozesse: dünne SiO 2 -Schicht (ca. 0,01 m) auf der Oberfläche Back-Surface-Field (BSF) aus einer zusätzlich hoch dotierten p- Zone auf der Rückseite 10% Steigerung des Stroms

20 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Wirkungsgrad von Siliciumzellen Kurzschlussströme: praktisch: 40 mA/cm 2 theoretisch 43,5 mA/cm 2 Der Weltrekord im Wirkungsgrad liegt bei 23% Photozellen aus Serienfertigungen arbeiten mit Wirkungsgraden unter 15%

21 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Siliciumzellen, Dünnschichtzellen die Dünnschichtzellen bieten Enorme Materialeinsparungen z.B. Zellen mit amorphem Silicium Bandabstand von 1,7 eV liegt dichter an dem Wert für den optimalen Wirkungsgrad (1,45 eV) sehr hohe (direkte) Absorption genügen Schichtdicken von weniger als 0,5 m undotierten Material: Diffusionslängen von ca. 0,2 m; mit Dotierung: Diffusionslänge praktisch Null Deshalb wird eine 0,5 m dicke amorphe Schicht nur in einem sehr dünnen Randbereich jeweils von beiden Seiten dotiert

22 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik

23 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Kosten-Wirkungsgrad Beziehung Gesamtkosten werden in 4 Kostenblöcke aufgeteilt: - die Siliciumscheiben K(Si) - die Solarzellentechnologie K(T) - die Modulherstellung K(M) (z.B. Glas, Rahmen, etc) - die Aufstellfläche K(F) (z.B. Land, Fundamente, etc) K( ) = Gesamtanlagenkosten bei einem Wirkungsgrad 0 = Bezugswirkungsgrad Anteiligen Kosten der einzelnen Blöcke bei Bezugs- wirkungsgrad: F 1 ( ), F 2 ( ) = wirkungsgradabhängige Steigerungfaktoren für das Silicium und für die Solarzellentechnologie

24 ENERGIESYSTEME 1. TEILPHOTOVOLTAIK Kosten-Wirkungsgrad Beziehung; Beispiel Si-ScheibenA = 20%TechnologieB = 20% ModulherstellungC = 25%AufstellflächeD = 35% Wirkungsgrad(%) F 1 11,5220,5 F 2 11,31,52,50,7 K( )/K( 0 )(%) Kosteinsparung(%) = 9%


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