Halbleiter mit p/n - Übergang Photozelle ohne Bestrahlung

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

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

2 Halbleiter mit p/n - Übergang Photozelle ohne Bestrahlung
Der Diffusionsstrom (Richardson Gleichung): K = materialabhängige Kenngröße q =1,6•10-19 C Ud= Diffusionsspannung k = Boltzmann-Konstante T = Temperatur Im Gleichgewichtszustand müssen sich die Feldströme und Diffusionsströme gegenseitig kompensieren: IFe = Feldstrom IS = Sättigungsstrom ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

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

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

5 Photozelle unter Bestrahlung
ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

6 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: ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

7 Photozelle unter Bestrahlung
Photoelektronenstrom + - ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

8 Photozelle unter Bestrahlung
IK =0 IK - der Kurzschlußstrom ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

9 Photozelle unter Bestrahlung
Der Strom im äußeren Stromkreis: Ub = der Spannungsabfall am äußeren Widerstand R=Ub/Ib die Leerlaufspannung (Ib=0): ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

10 Photozelle unter Bestrahlung
Die Leistung der Solarzelle: Igl Ib/mA Ubmax Ibmax Der Füllfaktor: Der Wigungsgrad: Ub/V ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

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

12 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% ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

13 Reflexionsverluste Texturierung der Siliciumoberfläche  die Restreflexion liegt unter 1% ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

14 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

15 Absorptionsverluste EPH < E < EPH
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 EPh> E werden von den Elektronen absorbiert die Energie EPh - E geht verloren dadurch können 33% des Sonnenspektrums nicht durch Photoeffekte umgesetzt werden ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

16  = Absorptionskoeffizient
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,  = 104 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

17 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

18 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

19 Rekombinationsverluste
Die Rekombination in Kristall: Beim Silicium betragen die Rekombinationsverluste 17,5% vom auftreffenden Licht Die Rekombination an der Kristalloberfläche: Zur Reduzierung der Rekombi-nationsprozesse: dünne SiO2-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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

20 Wirkungsgrad von Siliciumzellen
Kurzschlussströme: praktisch: 40 mA/cm2 theoretisch 43,5 mA/cm2 Der Weltrekord im Wirkungsgrad liegt bei 23% Photozellen aus Serienfertigungen arbeiten mit Wirkungsgraden unter 15% ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

21 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

22 Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik
ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

23 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   = Bezugswirkungsgrad Anteiligen Kosten der einzelnen Blöcke bei Bezugs-wirkungsgrad: F1(), F2() = wirkungsgradabhängige Steigerungfaktoren für das Silicium und für die Solarzellentechnologie ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK

24 Kosten-Wirkungsgrad Beziehung; Beispiel
0 = 9% Si-Scheiben A = 20% Technologie B = 20% Modulherstellung C = 25% Aufstellfläche D = 35% Wirkungsgrad(%) F , ,5 F ,3 1,5 2,5 0,7 K()/K(0)(%) Kosteinsparung(%) ENERGIESYSTEME 1. TEIL PHOTOVOLTAIK