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

ENERGIESYSTEME 1. TEIL

PHOTOVOLTAIK

Halbleiter mit p/n - ÜbergangPhotozelle ohne Bestrahlung


PHOTOVOLTAIK

Halbleiter mit p/n - ÜbergangPhotozelle ohne Bestrahlung

/kTqUdif

dKeI

S

/kTqUdif

difFe

I

KeI

II

d

Der Diffusionsstrom (Richardson Gleichung):

K = materialabhängige Kenngrößeq =1,6•10-19 CUd= Diffusionsspannungk = Boltzmann-KonstanteT = Temperatur

Im Gleichgewichtszustand müssen sich die Feldströme und Diffusionsströme gegenseitig kompensieren:

IFe = FeldstromIS = Sättigungsstrom


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Belasteter p/n - Übergang

Durchlass-Richtung:

qU/kT/kTqUU)/kTq(Udif eKeKeI dd

Fedif III

)1( qU/kTS eII

qU/kTSeII

Der Diffusionsstrom:

Der Nettostrom:

Die Gleichrichterformel:

U

Bei Raumtemperatur q/kT = 40 Volt-1


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Belasteter p/n - Übergang

Sperr-Richtung:

SqU/kT

S IeII )1(

U

Die Gleichrichterformel (U<<0):

qU/kT


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Photozelle unter Bestrahlung


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Die Energie der Lichtquanten:

hchE

h = Planksches Wirkungsquantum = Frequenz des absorbierten Lichts = Wellenlänge des absorbierten Lichtsc = Lichtgeschwindigkeit

die Energie E der absorbierten Lichtquanten muss den Bandabstand E übersteigen:

EE


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-

+

Photoelektronenstrom


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=0

IK

IK - der Kurzschlußstrom


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S

KL I

I

q

kTU 1ln

)1( / kTqUSKb

beIII

die Leerlaufspannung (Ib=0):

Ub = der Spannungsabfall am äußeren Widerstand R=Ub/Ib

Der Strom im äußeren Stromkreis:


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Die Leistung der Solarzelle:

kT)U(Uq

sKb

kTUqSKb

bb

db

b

KeIIU

eIIU

IUP

)1(

Der Füllfaktor:

KK

bb

Leerl

b

IU

IU

P

PF maxmaxmax

Der Wigungsgrad:

gl

b

I

P max

Ubmax

Ibmax

Ub/V

I b/m

A Igl


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Absorption von Photonen, Verluste

Photozelle

Reflexionsverluste

Abschattungsverluste

Absorptionsverluste


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Reflexionsverluste

amorphesSilicium

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%


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Reflexionsverluste

Texturierung der Siliciumoberfläche die Restreflexion liegt unter 1%


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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


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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


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Die Absorption der Photonen in der Tiefe x des Halbleiters lässt sich mit der Abnahme des Photonenstroms beschreiben: =

Absorptionskoeffizient

xPh exIxI )0()( 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


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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


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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


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RekombinationsverlusteDie Rekombination in Kristall:

Die Rekombination an der Kristalloberfläche:

Beim Silicium betragen die Rekombinationsverluste 17,5% vom auftreffenden Licht

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


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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%


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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


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Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik


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Kosten-Wirkungsgrad BeziehungGesamtkosten 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 0 = Bezugswirkungsgrad Anteiligen Kosten der einzelnen Blöcke bei Bezugs-wirkungsgrad:

)(

)(

0KSiK

A)(

)(

0KMK

C)(

)(

0KTK

B)(

)(

0KFK

D

F1(), F2() = wirkungsgradabhängige Steigerungfaktoren für das Silicium und für die Solarzellentechnologie

DCFBFAKK )()()(/)( 210

0


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Kosten-Wirkungsgrad Beziehung; Beispiel

Si-Scheiben A = 20% Technologie B = 20%Modulherstellung C = 25% Aufstellfläche D = 35%

Wirkungsgrad(%) 9 12 15 18 7

F1 1 1,5 2 2 0,5

F2 1 1,3 1,5 2,5 0,7

K()/K(0)(%) 100 87 78 75 108

Kosteinsparung(%) 0 13 22 25-8

DCFBFAKK )()()(/)( 210

0

0 = 9%

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