Übersicht über die Vorlesung Solarenergie - KIT - LTI · Anforderungen an PV-Materialien - Sonnenspektrum soll effizient absorbiert werden - absorbierte Energie soll möglichst
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Übersicht über die Vorlesung SolarenergieVorläufige Terminplanung Vorlesung „Solarenergie“ WS 2005/2006 Stand: 10.11.2005 Termin Thema Dozent Di. 25.10. Wirtschaftliche
Di. 6.12. Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer Fr. 9.12. Third generation Photovoltaics Lemmer Di. 13.12. Photovoltaische Systeme I Heering Fr. 16.12. Photovoltaische Systeme II Heering Di. 20.12. Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien Di. 10.01. Passive Sonnenenergienutzung Heering Di. 17.01. Solarthermische Kraftwerke I Lemmer Fr. 20.01. Energiespeiche/Solarchemie Heering Di. 24.01. Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering Di. 31.01. Energieszenarien Lemmer Anfang Februar Exkursion Heering/Lemmer
Anforderungen an PV-Materialien
- Sonnenspektrum soll effizient absorbiert werden
- absorbierte Energie soll möglichst effizient in elektrische Energie umgewandelt werden können
- wenig Umwandlungsprozesse in andere Energieformen (insbes. thermisch)
- kostengünstige Herstellung
- umweltfreundlich, langlebig, „designbar“, ...
Delokalisierte Elektronen in Festkörpern
-durch Kopplung der Orbitale benachbarter Atome kommt es zur Ausbildungvon Energiebändern → Transport von Elektronen möglich
- Ausbildung von verbotenen Bereichen (Bandlücken)
Isolator-Halbleiter-Metall
Metall
EF=WF („Fermi-Energie“)
- Bei T=0 K erfolgt die Besetzung der Elektronenniveaus nach aufsteigenderEnergie bis zur Fermi-Energie EF (WF)
- je nach Lage von EF zur Bandlücke und nach Größe der BandlückeIsolator, Halbleiter oder Metall
Verteilungsfunktionen
Besetzung der Zustände erfolgt nach der Fermi-Dirac- bzw. näherungsweise nach der Maxwell-Boltzmann-Verteilung:
Minimierung der freien Energie:
F=U-TS=Min!
IV.2.1: Ladungsträgerstatistik
Vollkommen analog zum Fall der Elektronen im Leitungsband können die Löcher im Valenzband betrachtet werden.
− −= − = − =
+ +
1 1( ) 1 ( ) 11 1
F F
B B
h e E E E Ek T k T
f E f Ee e
Für die Lochverteilungsfunktion gilt
→ Die Löcher haben die gleiche Verteilungsfunktion wie die Elektronen, allerdings mit umgekehrter Energieachse
Ladungsträger im Halbleiter
( ) ( )c
eE
n N E f E dE∞
= ⋅∫
Die Dichte von Elektronen im Leitungsband ergibt sich dann als
N(E): Zustandsdichte
Für die Lochkonzentration ergibt sich dann dementsprechend
( ) ( )vE
hp N E f E dE−∞
= ∫
Festkörpergitter
In kristallinen Festkörpern bilden die Atome ein streng periodisches Gitter
z.B. Si z.B. GaAs
Bänder im HalbleiterBänder im Halbleiter
Im periodischen Potential kommt es im engeren Sinne zur Ausbildung von Bändern:
Wellenvektor k
1
πa2
πa
Klassifizierung der Elektronen nach reduziertem Wellenvektor k und Bandindex n:
( ) ( )jkrnk nkr e u rΨ =
( ) ( )nk nku r u r R= +
(gitterperiodische Funktion)
Parabolische Näherung
Wellenvektor k
1
πa2
πa
me,h: Effektive Elektron(Loch)masse
2
2 2
( )1 1 ∂=
∂n
e
E km k
,
=e h
qEam
Mit dem Konzept der effektiven Masse wird der Transport der quantenmechanischen Elektronen wieder analog zum Fall von kleinen klassischen Teilchen beschrieben.
Parabolische Näherung
me,h: Effektive Elektron(Loch)masse
2
2 2
( )1 1 ∂=
∂n
e
E km k
,
=e h
qEam
Zustandsdichte:
32
3
8 2( ) eC
mN E E Eh
π= −
Effektive Zustandsdichten
Damit kann die Ladungsträgerdichte in einemBand explizit berechnet werden:
32
3
8 2 exp( ) exp( )C
e FC
E
m E En E E dEh kT kT
π ∞ −= − =∫
32
2
22 exp( )e F Cm kT E Eh kT
π − =
exp( )F CC
E ENkT−
=
effektive Zustandsdichtedes Leitungsbandes
Genauso für die Löcher:
exp( )V FV
E Ep NkT−
=
Warum Halbleiter ?
1.
2.
2.
1. Absorption von Licht
Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares (10-15s)
2. Elektron (Loch) relaxiertzum Bandminimum (-maximum)(10-12s)
Elektron (Loch) „lebt“ am Bandminimum(maximum)(bis in ms-Bereich)
Wäre keine Bandlücke vorhanden, so würde die Anregungsenergie sofort in thermische Energie umgewandelt → keine Metalle als PV-Material
Halbleiter unter Beleuchtung
1.
2.
Durch Absorption von Photonen werden in der Solarzelle ständig Ladungsträger erzeugt. Je mehr Licht einfällt, desto größer müssen im obigen Bild die rote und die blaue Fläche werden. Damit die FD-Statistik stimmt, muss für die Löcher EF in Richtung VB geschoben werden, aber gleichzeitig für die Elektronen in Richtung LB.
Beleuchtung→ mehr Elektronen → EF näher ans LB ??Beleuchtung → mehr Löcher → EF näher ans VB
Quasi-Fermi-VerteilungenBeschreibung der Ladungsträger durch zwei Quasi-Fermi-Verteilungen:
Ausweg: Statt durch eineFermi-Verteilung erfolgtdie Beschreibung derLadungsträgerstatistikdurch zwei Quasi-Fermi-Verteilungen, jeweilseine für die Löcher undeine für die Elektronen.
,exp( )F h VV
E Ep N
kT−
= − ,exp( )F e CC
E En N
kT−
=
- nur für EF,h≠ EF,e kann dem Halbleiter Energie entnommen werden