Wolfgang Scheibenzuber, Christian Müller Solarzellen Wolfgang Scheibenzuber, Christian Müller

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

Einleitung - Historie 1839: Entdeckung des photovoltaischen Effekts durch A.E. Becquerel 1873: Photoleitfähigkeit von Selen 1883: Erste Photozelle aus Selen 1899: Nachweis des Photoeffekts durch Lennard 1905: Erklärung durch Einstein mittels Quantentheorie 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% 1958: Erster praktischer Einsatz im Satelliten Vangard I 1976: Gründung des DOE in den USA, Solarzellen auch für terrestrische Energieversorgung

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

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

Einleitung - Sonneneinstrahlung Gesamte eingestrahlte Leistung auf Erde: 170 000 TW (= 13000x momentaner Stromverbrauch) Absorbtion von Licht in Atmosphäre ist abhängig vom zurückgelegten Weg („air mass AMx“)

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

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

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

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

Grundlagen - Bandstruktur Beispiele:

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

Grundlagen - Halbleiter 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) Zwei Arten von Ladungsträgern: Elektronen und Löcher (da nicht gefülltes Valenzband ebenfalls Strom trägt) fehlendes Elekron im Valenzband  Loch

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

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)

Grundlagen – Absorbtion von Licht Absorbtion im Festkörper folgt exponentiellem Gesetz I = I0e-x Absorbtionskonstante  ist abhängig von Photon-Energie und Art des Übergangs

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

Grundlagen – p-n-Übergang Gleichgewicht: Diffusionsstrom und Driftstrom kompensieren sich Vbi: Eingebautes Potential durch Raumladungszone

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

Grundlagen – p-n-Übergang Kennlinie des p-n-Übergangs:

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

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

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

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

Si-Solarzellen - konventionell Herstellung: Metallurgisches Si: Quarzsand SiO2 + C → Si + CO2 „electronic grade“ Si: CVD-Abscheidung von SiHCl3  Polykristallines Si (Korngröße: ~1cm) Czochralski-Verfahren: Keimkristall aus Si-Schmelze ziehen  Einkristallines Si (Verunreinigungen < 1018 cm-3) p-n-Übergang durch Eindiffundieren von Phosphor Elektrodenauftragung durch Siebdruck mit Al-Paste (800°C)

Si-Solarzellen - konventionell Herstellung: Wirkungsgrad: Anteil an der Produktion: Amortisation: (energetisch) Degradation: Einkristallin vs. teuer 15% - 17% (kommerziell) 24% (Labor) 30% (2001) 5 - 6 Jahre Polykristallin billiger, da Czochralski Prozess entfällt 13% - 15% (kommerziell) 20% (Labor) (Grund: „dangling bonds“ und Verunreinigungen) 57% (2001) 4 - 5 Jahre 10% - 13% in 20 – 25 Jahren

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

Si-Solarzellen - Dünnschicht Herstellung: 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) Elektrodenaufbringung durch Siebdruck polykristallines Si durch andere Prozessführung möglich, aber: schlechtere Absorbtion  light-trapping nötig Vorteile: Modulgröße nicht beschränkt durch Si-Wafer Weniger Energieaufwand  Kostengünstigere Herstellung

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