1 / 30

Solarzellen

Solarzellen. Wolfgang Scheibenzuber, Christian Müller. Überblick. Einleitung - Historie - Entwicklung - Sonneneinstrahlung

dagan
Télécharger la présentation

Solarzellen

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Solarzellen Wolfgang Scheibenzuber, Christian Müller

  2. 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

  3. 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

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

  5. 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

  6. 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“)

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

  8. 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

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

  10. 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

  11. Grundlagen - Bandstruktur Beispiele:

  12. 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

  13. 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

  14. 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

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

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

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

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

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

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

  21.  Leistung kann abgegriffen werden, Füllfaktor: Pmax/(UmaxImax) 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

  22. 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

  23. 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 Grundlagen - Zusammenfassung • Energiebänder im Halbleiter durch Bandlücke getrennt

  24. 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

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

  26. 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)

  27. 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 Si-Solarzellen - konventionell Herstellung: Wirkungsgrad: Anteil an der Produktion: Amortisation: (energetisch) Degradation: 10% - 13% in 20 – 25 Jahren

  28. 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

  29. 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

  30. 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

More Related