Solarzellen Wolfgang Scheibenzuber Christian Mller berblick 1 Einleitung
Solarzellen Wolfgang Scheibenzuber, Christian Müller
Überblick 1. Einleitung - 2. Historie Entwicklung Sonneneinstrahlung Festkörperphysikalische Grundlagen - Bandstruktur - 3. Halbleiter Absorbtion von Licht Der p-n-Übergang Anwendung auf Solarzellen auf Silizium-Basis - Konventionelle Solarzellen - Dünnschicht-Solarzellen 2
Einleitung - Historie n n n n n 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 3
Einleitung - Entwicklung n n Exponentieller Zuwachs während der letzten Dekaden MWp : Mega. Watt peak, Leistung bei „Standardbedingungen“, durchschnittliche Leistung: ~20% MWp 4
Einleitung - Kosten n Wirtschaftliche Energieversorgung erreicht bei ~ 2 cent/k. Wh, entspricht 0, 40 US$/Wp BOS: balance-of-system costs, Kosten für nichtphotovoltaische Teile der Solaranlage Shockley-Queisser Limit: Grenze für Wirkungsgrad bei thermischer Relaxation 5
Einleitung - Sonneneinstrahlung n n Gesamte eingestrahlte Leistung auf Erde: 170 000 TW (= 13000 x momentaner Stromverbrauch) Absorbtion von Licht in Atmosphäre ist abhängig vom zurückgelegten Weg („air mass AMx“) 6
Einleitung - Funktionsprinzip 1. Lichtabsorbtion 2. Anregung 3. Bewegung der Ladungsträger 4. Keine Rekombination 5. Ladungstrennung 6. Elekroden 7
Überblick 1. Einleitung - 2. Historie Entwicklung Sonneneinstrahlung Festkörperphysikalische Grundlagen - Bandstruktur - 3. Halbleiter Absorbtion von Licht Der p-n-Übergang Anwendung auf Solarzellen auf Silizium-Basis - Konventionelle Solarzellen - Dünnschicht-Solarzellen 8
Grundlagen - Bandstruktur Anordnung der Atome zu periodischem Kristallgitter (hier: Silizium) Überlapp der Elektronenorbitale Ausbildung von Energie. Bändern, Bandlücken 9
Grundlagen - Bandstruktur n n n Bandstruktur gibt Energie-Impuls-Beziehung für Elektronen sind Fermionen Jeder Energie-Zustand nur einfach besetzbar Volle und leere Bänder tragen nichts zum Stromfluss bei 10
Grundlagen - Bandstruktur Beispiele: 11
Grundlagen - Halbleiter n n 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 12
Grundlagen - Halbleiter n n n 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 13
Grundlagen – Absorbtion von Licht n Absorbtion eines Photons möglich, wenn ℏ > Eg Photonen geringerer Energie werden transmittiert n Elektron wird aus Valenzband in Leitungsband angeregt Elektron-Loch-Paar n Umgekehrter Effekt: Rekombination n 14
Grundlagen – Absorbtion von Licht Unterscheide direkte und indirekte Übergänge: direkt: Ohne Impulsübertrag, hohe Wahrscheinlichkeit indirekt: Impulsübertrag durch Phonon, geringe Wahrscheinlichkeit Direkter Übergang (z. B. Ga. As) Indirekter Übergang (z. B. Ge) 15
Grundlagen – Absorbtion von Licht n Absorbtion im Festkörper folgt exponentiellem Gesetz I = I 0 e - x n Absorbtionskonstante ist abhängig von Photon. Energie und Art des Übergangs 16
Grundlagen – p-n-Übergang Kontaktiere p-dotierte mit n-dotierter Schicht n Chemisches Potential unterschiedlich auf beiden Seiten Ladungsträgerdiffusion Raumladungszone, elektrisches Feld n 17
Grundlagen – p-n-Übergang n n Gleichgewicht: Diffusionsstrom und Driftstrom kompensieren sich Vbi: Eingebautes Potential durch Raumladungszone 18
Grundlagen – p-n-Übergang Verhalten bei angelegter Spannung: n n n „Vorwärts. Schaltung“: Diffusionsstrom verstärkt „Rückwärts. Schaltung“: Diffusionsstrom geschwächt Driftstrom konstant 19
Grundlagen – p-n-Übergang Kennlinie des p-n-Übergangs: 20
Grundlagen - Solarzelle Driftstrom hängt in erster Linie von Minoritätsladungsträgerdichte ab n Eingestrahlte Photonen regen e-h-Paare an Mehr Minoritätsladungsträger, die im E-Feld der Raumladungszone getrennt werden und abfließen n Leistung kann abgegriffen werden, Füllfaktor: Pmax/(Umax. Imax) 21
Grundlagen - Solarzelle Verluste: n n 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 22
Grundlagen - Zusammenfassung n Energiebänder im Halbleiter durch Bandlücke getrennt Photonabsorbtion regt Elektron vom Valenzband ins Leitungsband an Elektron-Loch-Paar n n p-n-Übergang: Raumladungszone durch Ladungsträgerdiffusion n Elektronen und Löcher werden im elektrischen Feld der Raumladungszone getrennt und fließen ab 23
Überblick 1. Einleitung - 2. Historie Entwicklung Sonneneinstrahlung Festkörperphysikalische Grundlagen - Bandstruktur - 3. Halbleiter Absorbtion von Licht Der p-n-Übergang Anwendung auf Solarzellen auf Silizium-Basis - Konventionelle Solarzellen - Dünnschicht-Solarzellen 24
Si-Solarzellen - konventionell Konventionelle Solarzelle aus einkristallinem oder polykristallinem Silizium (c-Si bzw. p-Si): 25
Si-Solarzellen - konventionell Herstellung: n n n Metallurgisches Si: Quarzsand Si. O 2 + C → Si + CO 2 „electronic grade“ Si: CVDAbscheidung von Si. HCl 3 Polykristallines Si (Korngröße: ~1 cm) 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) 26
Si-Solarzellen - konventionell Herstellung: Wirkungsgrad: Anteil an der Produktion: Amortisation: (energetisch) Degradation: Einkristallin teuer vs. 15% - 17% (kommerziell) 24% (Labor) Polykristallin billiger, da Czochralski Prozess entfällt 13% - 15% (kommerziell) 20% (Labor) (Grund: „dangling bonds“ und Verunreinigungen) 30% (2001) 5 - 6 Jahre 57% (2001) 4 - 5 Jahre 10% - 13% in 20 – 25 Jahren 27
Si-Solarzellen - Dünnschicht Aufbau: Merkmale: n n n 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 28
Si-Solarzellen - Dünnschicht Herstellung: n n 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: n n Modulgröße nicht beschränkt durch Si-Wafer Weniger Energieaufwand Kostengünstigere Herstellung 29
Si-Solarzellen - Zusammenfassung Konventionelle Solarzellen aus mono- und polykristallinem Si: n Wirkungsgrad bis 25% n Amortisationszeit: 4 – 6 Jahre Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Si: n Wirkungsgrad nur bis ~10% n Herstellung billiger n Amortisationszeit: 3 Jahre 30
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