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Silizium-Solarzellen I: Grundlagen und Zelltypen Patrick Gaiser 12.03.2012 1.

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Präsentation zum Thema: "Silizium-Solarzellen I: Grundlagen und Zelltypen Patrick Gaiser 12.03.2012 1."—  Präsentation transkript:

1 Silizium-Solarzellen I: Grundlagen und Zelltypen Patrick Gaiser

2 Motivationsfragen Wie genau und warum ist es möglich, dass ein Strom in einer Solarzelle generiert wird? Welche Möglichkeiten zur Optimierung des Wirkungsgrades gibt es? Welche sind mögliche Verluste in einer Solarzelle? Welche Solarzellentypen gibt es? 2

3 Silizium Silizium leitet sich vom lateinischen Wort silex ab (Kieselstein, Feuerstein) Nach O 2 das zweithäufigste Element (25,8 Gewichtsprozent der Erdkruste) Auftreten: Silikate Minerale oder SiO 2 (z.B. Sand besteht vorwiegend aus SiO 2 ) Z=14 4. Hauptgruppe [Ne]3s²p² 4 Valenzelektronen 3 Quelle:

4 Kristallstruktur von Si Kubisch flächenzentriertes (fcc) Gitter mit zweiatomiger Basis Koordinaten der Atome der Basis: (0,0,0) und (¼, ¼, ¼) Koordinationszahl: 4 (sp³-Hybridbindung) Beispiele: Diamant, Ge, graues Sn Zinkblendestruktur: GaAs, InP, InSb 4 Quelle: Festkörperphysik - Hunklinger

5 Bändermodell von Halbleitern Ausgangspunkt: Dispersionsrelation eines freien Elektrons: 5 Quelle: Festkörperphysik - Hunklinger

6 Halbleiter/Isolatoren sind Materialien, bei denen die Fermienergie in einer Bandlücke liegt Für T=0 ist der Halbleiter ein Isolator Erhöhung von σ durch Erhöhung der Temperatur, Dotierung mit Fremdatomen, Lichteinstrahlung HalbleiterIsolator EgEg < 3eV> 3eV 6 Quelle: Festkörperphysik – Hunklinger

7 Direkte Halbleiter Valenzbandmaximum und Leitungsbandminimum liegen direkt übereinander (im k-Raum) Absorption für Angeregte Elektronen können strahlend rekombinieren (z.B. in LEDs) Bsp: Viele III-V-Halbleiter (GaAs, InP, InAs) 7

8 Indirekte Halbleiter Valenzbandmaximum und Leitungsbandminimum liegen nicht direkt übereinander Notwendig ist eine Absorption oder Emission eines Phonons Strahlende Relaxation ist sehr viel unwahrscheinlicher, da ein passendes Phonon benötigt wird Bsp: reine Halbleiter wie Si, Ge 8

9 Vergleich der Absorption von direkten / indirekten HL 9 Direkter HLIndirekter HL Quelle: Festkörperphysik - Hunklinger

10 Dichte der Elektronen (n) und Löchern (p) (intrinsischer Fall) Elektronen sind Fermionen sie genügen der Fermi-Dirac-Verteilung: Zustandsdichte N(E) im Leitungsband im 3D-Fall: Anzahl n der Elektronen im Leitungsband pro Volumeneinheit: (periodische Randbedingungen) 10 E F : Fermienergie k B : Boltzmannkonstante m n * : effektive Elektronenmasse E c : Leitungsbandkante

11 Daraus ergibt sich mit : Effektives N(E) In gleicher Weise kann die Anzahl der Löcher pro Volumeneinheit im Valenzband berechnet werden: mit der effektiven Zustandsdichte der Löcher n und p sind abhängig vom Ferminiveau E F und der Temperatur! Es gilt also für die intrinsische Trägerdichte n i : Da dieses Produkt unabhängig vom Ferminiveau ist, gilt diese Gleichung sowohl für die intrinsische als auch für die Störstellenleitung (siehe später)! wobei bei 300K gilt für Si mit : 11

12 12 Mit zunehmender Bandlücke sinkt n i Quelle: Festkörperphysik - Hunklinger

13 Thermischer Gleichgewichtszustand T=const. Gleichgewicht zwischen Bildung (Generation G) und Vernichtung (Rekombination R) von Elektron-Loch-Paaren Generation von Ladungsträgern: praktisch unabhängig von den bereits gebildeten Elektron-Loch-Paaren, da die Zahl an gebundenen Elektronen unvergleichlich höher ist als die der freien Elektronen Die Rekombinationrate pro Volumeneinheit (R) ist abhängig von der Ladungsträgerdichte n und p: mit r der Rekombinationswahrscheinlichkeit. Im thermischen Gleichgewicht gilt: und mit Da n i praktisch nur von der Temperatur abhängt, und r=const., folgt, dass G nur von der Temperatur abhängt. 13

14 Leitungsmechanismen in Halbleitern Eigenleitung = elektrische Leitfähigkeit von undotierten (reinen) Halbleitern Elektronen: Löcher: mit der Beweglichkeit. 14 τ= τ (T,n,p) Quelle: Sonnenenergie: Photovoltaik – A. Goetzberger/B.Voß/J.Knobloch

15 Störstellenleitung Dotierung mit fünfwertigen Elementen (As, P, …) n-Dotierung Anzahldichte der Donatoren: N D Elektronen sind die Majoritätsladungsträger, Löcher die Minoritätsladungsträger Dotierung mit dreiwertigen Elementen (B, Al, Ga, …) p-Dotierung Anzahldichte der Akzeptoren: N A Löcher sind die Majoritätsladungsträger, Elektronen die Minoritätsladungsträger 15 Quelle: Festkörperphysik - Hunklinger

16 Wie groß ist die Ablöseenergie des fünften Elektrons im Falle eines fünfwertigen Donatoratoms? Analog zur Ionisationsenergie des Elektrons in einem Wasserstoffatom: In Ge ist E i = 9 meV Störstellenerschöpfung, und damit bei Raumtemperatur: 16 Quelle: Festkörperphysik - Hunklinger

17 : Diffusionsstromdichte Diffusionsstrom = Ladungsträgerbewegung aufgrund von Konzentrationsunterschieden Elektronen bzw. Löcher werden von der höheren zur niedrigeren Konzentration getrieben, d.h. beispielsweise für Elektronen : mit D n : Diffusionskonstante der Elektronen. Elektrische Stromdichte durch Diffusion: KonzentrationsgradientFluss : Elektronen : Löcher 17

18 P-N-Übergang 18 Quelle: Dissertation des Instituts für physikalische Elektronik der Uni Stuttgart – Christian Koch

19 Ladungsträgerdichte im P-N-Übergang Wenn keine Spannung anliegt, gilt: n P p P =n n p n =n i 2 Durchlassrichtung: Pluspol an die p-dotierte Seite, Minuspol an die n-dotierte Seite Raumladungszone wird schmaler Ab einer gewissen Schwellenspannung U S fließt der sog. Durchlassstrom Sperrrichtung: umgekehrte Polung Raumladungszone verbreitert sich Es fließt ein Sperrstrom I 0 durch die vorhandenen Minoritätsladungsträger 19

20 Aufbau einer realen Solarzelle n- dotierte Schicht ist relativ dünn im Gegensatz zur p-dotierten Schicht N-dotierte Schicht ist um einige Zehnerpotenzen höher dotiert als p-dotierte Schicht Raumladungszone dehnt sich weit in das p-Gebiet aus Dies gewährleistet, dass das Licht vor allem in der Raumladungszone Elektron- Loch-Paare erzeugt 20

21 Geringe Rekombinationsrate der jeweiligen Minoritätsladungsträger in der Raumladungszone Dadurch werden sie durch das elektrische Feld weit in das gegenüberliegende Gebiet hineingeweht (injiziert) wobei I : Gesamtstrom I 0 : Sättigungsstromdichte U: Von außen angelegte Spannung T : Temperatur I L : Die durch das Licht erzeugte Stromdichte 21

22 Technisches Gerät zur Simulation des natürlichen Sonnenlichtes Das dem Referenzsonnenspektrum AM 1,5 ähnlichste Spektrum haben Xenon-Lampen, gefolgt von Halogen-Metalldampflampen Kontinuierliche Simulatoren: Bestimmung des Lichtalterungsverhaltens amorpher Solarzellen Blitzlicht-Simulatoren: Aufnahme von Strom-Spannungs- Kennlinien 22 Sonnensimulator Quelle:

23 Strom-Spannungs-Charakteristik und Charakterisierungsmethoden Die beiden Kennlinien verlaufen gleichsinnig, aber: Der Strom der beleuchteten Solarzelle ist negativ, d.h. der Solarstrom fließt entgegen der konventionellen Stromrichtung einer in Durchlassrichtung gepolten Diode I SC : Kurzschlussstromdichte (von short-circuit-current), d.h. U=0. Aus folgt, dass I SC = -I L. 23 0

24 Leerlaufspannung V OC (von open-circuit-voltage): I=0. Nach Umformung der Solarstromgleichung ergibt sich: Füllfaktor: (FF 0.75 bis 0.85) Wirkungsgrad: 24 Maximale an einen Verbraucher abzugebende Leistung

25 Optimierung der erzeugten elektrischen Leistung Falls E g I SC (da mehr Elektron-Loch-Paare) Dies steht in Rivalität zu V OC : Maximierung von P durch Minimierung von I 0 : Hohe Dotierungen N A und N D Halbleitermaterial mit niedrigem n i 25 1) Wahl des Halbleitermaterials P max

26 Es ist sodass man näherungsweise (Green) annehmen kann, dass D.h. für größeres V OC (I 0 klein) muss E g groß sein, was aber zu einem geringerem I SC führt 26 D.h. es existiert ein Halbleitermaterial mit optimaler Energielücke

27 27 Quelle: Solar Cells – Martin A. Green

28 28 2) Einfluss der Temperatur auf die Leistung I SC ist nicht sehr stark von der Temperatur abhängig (Exp: I SC falls T ) Grund: Lichtabsorption wird erhöht, da E g falls T. V OC und damit auch der Füllfaktor sinken jedoch mit steigender Temperatur viel stärker, und es ergibt sich nach Differentiation von nach der Temperatur für Silizium bei Raumtemperatur: dV OC /dT = -2.3 mV/°C Die Leistung sinkt um 0.4 – 0.5% pro °C.

29 Optimierung und weitere Verluste Optimierung durch i)Verwendung eines geeigneten Halbleitermaterials (GaAs) ii)Minimierung der Betriebstemperatur iii)Anpassung des Verbraucherwiderstandes R L derart, dass die an den Verbraucher abgegebene Leistung maximal wird. 29 Quelle: Festkörperphysik - Hunklinger

30 30 Verluste: i)ca. 24% der Sonnenstrahlung ist zu langwellig (λ > 1,1μm) ii)weitere 33% der Sonnenstrahlung gehen als Wärme verloren iii)Für geeignete Wellenlängen existiert dennoch eine Reflektivität ( Antireflexschichten verringern die Verluste um ca. 10%)

31 iv)Elektrisches Kontaktgitter blockt zwischen 5 und 15% der Sonnenstrahlung ( Meist wird Indiumzinnoxid (ITO) verwendet, welches gut leitet und für sichtbares Licht transparent ist) v)Wenn die Solarzelle zu dünn ist, kann ein Bruchteil des Lichts, das eigentlich Elektron-Loch-Paare erzeugen könnte, aus der Hinterseite der Solarzelle austreten ( Indirekte Halbleiter benötigen mehr Material als direkte, um auf denselben prozentualen Anteil des jeweiligen Kurzschlussstromes (I SC ) zu kommen) 31 Quelle: Solar Cells – Martin A. Green

32 Amorphes Sia-Si:H Bindungslängen und –Winkel weichen in der Fernordnung immer weiter von der Struktur des c-Si ab 8% Si-Solarzellentypen Dickschicht-Solarzellen 32 BezeichnungAbkürzungBeschreibung Maximaler Wirkungsgrad Monokristallines Sic-Si Regelmäßige, periodisch wiederkehrende Strukturbausteine 18% Polykristallines Simc-Si Statistische Verteilung der Orientierung einkristalliner Bereiche 15% Dünnschicht-Solarzellen

33 c-Sia-Si:H Dicke10 μm100 nm Nur sehr dünne Schichten sind notwendig (Absorption im sichtbaren Spektralbereich (1.5 eV – 3.1 eV) sehr hoch) Kostenreduktion Vergleich: 33 Quelle: Dissertation des Instituts für physikalische Elektronik der Uni Stuttgart – Christian Koch Amorphes Si

34 Zusammenfassung Generation eines elektrischen Stromes durch das Vorhandensein eines elektrischen Feldes im PN-Übergang Zur Nachbildung des natürlichen Sonnenlichtes werden Sonnensimulatoren verwendet (Aufnahme von Kennlinien mit ihren charakteristischen Parametern) Maßnahmen zur Optimierung der elektrischen Leistung (Senkung der Temperatur, Wahl des Verbraucherwiderstands, Wahl des Halbleitermaterials) Verschiedene, auftretende Verluste (Schwingungsrelaxation, Absorption/Reflexion durch Kontakte, Sonnenspektrum kann nicht vollständig ausgenutzt werden, zu dünne Schichten) Amorphes Si: kostengünstig, da nur dünne Schichten notwendig sind, aber geringer Wirkungsgrad 34

35 Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! 35


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