Solarzellen Solarzellen Wolfgang Scheibenzuber, Wolfgang Scheibenzuber, Christian Müller Christian Müller
SolarzellenSolarzellen
Wolfgang Scheibenzuber,Wolfgang Scheibenzuber,Christian MüllerChristian Müller
22/30/30
ÜberblickÜberblick1.1. EinleitungEinleitung
- Historie- Historie- Entwicklung- Entwicklung- Sonneneinstrahlung- Sonneneinstrahlung
2.2. Festkörperphysikalische GrundlagenFestkörperphysikalische Grundlagen- Bandstruktur- Bandstruktur- Halbleiter- Halbleiter- Absorbtion von Licht- Absorbtion von Licht- Der p-n-Übergang- Der p-n-Übergang- Anwendung auf Solarzelle- Anwendung auf Solarzelle
3.3. Solarzellen auf Silizium-BasisSolarzellen auf Silizium-Basis - - Konventionelle SolarzellenKonventionelle Solarzellen - - Dünnschicht-SolarzellenDünnschicht-Solarzellen
33/30/30
Einleitung - HistorieEinleitung - Historie 1839: Entdeckung des photovoltaischen Effekts durch A.E. 1839: Entdeckung des photovoltaischen Effekts durch A.E.
BecquerelBecquerel 1873: Photoleitfähigkeit von Selen1873: Photoleitfähigkeit von Selen 1883: Erste Photozelle aus Selen1883: Erste Photozelle aus Selen 1899: Nachweis des Photoeffekts durch Lennard1899: Nachweis des Photoeffekts durch Lennard 1905: Erklärung durch Einstein mittels Quantentheorie1905: Erklärung durch Einstein mittels Quantentheorie 1947: Entdeckung des p-n-Übergangs durch Shockley, 1947: Entdeckung des p-n-Übergangs durch Shockley,
Brattain, BardeenBrattain, Bardeen 1953: Entwicklung der ersten Solarzelle aus Silizium bei Bell 1953: Entwicklung der ersten Solarzelle aus Silizium bei Bell
Labs durch Chaplin, Fuller, Pearson Wirkungsgrad: 4 Labs durch Chaplin, Fuller, Pearson Wirkungsgrad: 4 – 6%– 6%
1958: Erster praktischer Einsatz im Satelliten Vangard I1958: Erster praktischer Einsatz im Satelliten Vangard I 1976: Gründung des DOE in den USA, Solarzellen auch für 1976: Gründung des DOE in den USA, Solarzellen auch für
terrestrische Energieversorgungterrestrische Energieversorgung
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Einleitung - EntwicklungEinleitung - Entwicklung
Exponentieller Zuwachs während der letzten DekadenExponentieller Zuwachs während der letzten Dekaden MWp : MegaWatt peak, Leistung bei „Standardbedingungen“, MWp : MegaWatt peak, Leistung bei „Standardbedingungen“,
durchschnittliche Leistung: ~20% MWpdurchschnittliche Leistung: ~20% MWp
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Einleitung - KostenEinleitung - Kosten
Wirtschaftliche Energieversorgung erreicht bei ~ 2 Wirtschaftliche Energieversorgung erreicht bei ~ 2 cent/kWh, entspricht 0,40 US$/Wpcent/kWh, entspricht 0,40 US$/Wp
BOS: balance-of-system costs, Kosten für nicht-BOS: balance-of-system costs, Kosten für nicht-photovoltaische Teile der Solaranlagephotovoltaische Teile der Solaranlage
Shockley-Queisser Limit: Grenze für Wirkungsgrad bei Shockley-Queisser Limit: Grenze für Wirkungsgrad bei thermischer Relaxationthermischer Relaxation
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Einleitung - SonneneinstrahlungEinleitung - Sonneneinstrahlung
Gesamte eingestrahlte Leistung auf Erde: 170 000 TWGesamte eingestrahlte Leistung auf Erde: 170 000 TW(= 13000x momentaner Stromverbrauch)(= 13000x momentaner Stromverbrauch)
Absorbtion von Licht in Atmosphäre ist abhängig vom Absorbtion von Licht in Atmosphäre ist abhängig vom zurückgelegten Weg („air mass AMx“)zurückgelegten Weg („air mass AMx“)
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Einleitung - FunktionsprinzipEinleitung - Funktionsprinzip
1.Lichtabsorbtion1.Lichtabsorbtion2.Anregung2.Anregung3.Bewegung der Ladungsträger3.Bewegung der Ladungsträger4.Keine Rekombination4.Keine Rekombination5.Ladungstrennung5.Ladungstrennung6.Elekroden6.Elekroden
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ÜberblickÜberblick1.1. EinleitungEinleitung
- Historie- Historie- Entwicklung- Entwicklung- Sonneneinstrahlung- Sonneneinstrahlung
2.2. Festkörperphysikalische GrundlagenFestkörperphysikalische Grundlagen- Bandstruktur- Bandstruktur- Halbleiter- Halbleiter- Absorbtion von Licht- Absorbtion von Licht- Der p-n-Übergang- Der p-n-Übergang- Anwendung auf Solarzelle- Anwendung auf Solarzelle
3.3. Solarzellen auf Silizium-BasisSolarzellen auf Silizium-Basis - - Konventionelle SolarzellenKonventionelle Solarzellen - - Dünnschicht-SolarzellenDünnschicht-Solarzellen
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Grundlagen - BandstrukturGrundlagen - Bandstruktur
Anordnung der Atome zuAnordnung der Atome zuperiodischem Kristallgitterperiodischem Kristallgitter(hier: Silizium)(hier: Silizium)
Überlapp der Überlapp der ElektronenorbitaleElektronenorbitale
Ausbildung von Energie-Ausbildung von Energie-Bändern, BandlückenBändern, Bandlücken
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Grundlagen - BandstrukturGrundlagen - Bandstruktur
Bandstruktur gibt Energie-Impuls-Beziehung für ElektronenBandstruktur gibt Energie-Impuls-Beziehung für Elektronen Elektronen sind Fermionen Elektronen sind Fermionen Jeder Energie-Zustand nur Jeder Energie-Zustand nur
einfach besetzbareinfach besetzbar Volle und leere Bänder tragen nichts zum Stromfluss beiVolle und leere Bänder tragen nichts zum Stromfluss bei
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Grundlagen - BandstrukturGrundlagen - BandstrukturBeispiele:Beispiele:
1212/30/30
Grundlagen - HalbleiterGrundlagen - Halbleiter
Metall: oberstes Band nur teilweise besetzt Metall: oberstes Band nur teilweise besetzt Leitfähigkeit großLeitfähigkeit groß
Halbleiter/Isolator: Bänder, die Elektronen enthalten sind Halbleiter/Isolator: Bänder, die Elektronen enthalten sind vollständig besetztvollständig besetzt Leitfähigkeit geringLeitfähigkeit gering
Unterschied: Größe der Bandlücke, bei Halbleitern Unterschied: Größe der Bandlücke, bei Halbleitern thermische Anregung von Ladungsträgern möglichthermische Anregung von Ladungsträgern möglich
EEFF: Chemisches Potential: Chemisches Potential
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Grundlagen - HalbleiterGrundlagen - Halbleiter Dotierung: Einbringen von Fremdatomen zur Erhöhung der Dotierung: Einbringen von Fremdatomen zur Erhöhung der
LadungsträgerkonzentrationLadungsträgerkonzentration Dadurch Veränderung des chem. Potentials in Richtung LB Dadurch Veränderung des chem. Potentials in Richtung LB
(n-Dotierung, mehr Elektronen) bzw. VB (p-Dotierung, mehr (n-Dotierung, mehr Elektronen) bzw. VB (p-Dotierung, mehr Löcher)Löcher)
Zwei Arten von Ladungsträgern: Elektronen und Löcher (da Zwei Arten von Ladungsträgern: Elektronen und Löcher (da nicht gefülltes Valenzband ebenfalls Strom trägt)nicht gefülltes Valenzband ebenfalls Strom trägt)fehlendes Elekron im Valenzband fehlendes Elekron im Valenzband LochLoch
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Grundlagen – Absorbtion von LichtGrundlagen – Absorbtion von Licht
Absorbtion eines Photons Absorbtion eines Photons möglich, wenn möglich, wenn ℏℏ > E> Egg
Photonen geringerer Photonen geringerer Energie werden Energie werden transmittierttransmittiert
Elektron wird aus Elektron wird aus Valenzband in Valenzband in Leitungsband angeregtLeitungsband angeregt
Elektron-Loch-PaarElektron-Loch-Paar Umgekehrter Effekt: Umgekehrter Effekt:
RekombinationRekombination
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Grundlagen – Absorbtion von LichtGrundlagen – Absorbtion von Licht
Unterscheide direkte und indirekte Übergänge:Unterscheide direkte und indirekte Übergänge:- direkt: Ohne Impulsübertrag, hohe Wahrscheinlichkeitdirekt: Ohne Impulsübertrag, hohe Wahrscheinlichkeit- indirekt: Impulsübertrag durch Phonon, geringe indirekt: Impulsübertrag durch Phonon, geringe
WahrscheinlichkeitWahrscheinlichkeit
Direkter Übergang Direkter Übergang (z.B. GaAs)(z.B. GaAs)
Indirekter Übergang Indirekter Übergang (z.B. Ge)(z.B. Ge)
1616/30/30
Grundlagen – Absorbtion von LichtGrundlagen – Absorbtion von Licht
Absorbtion im Festkörper folgt exponentiellem GesetzAbsorbtion im Festkörper folgt exponentiellem GesetzI = II = I00ee--xx
Absorbtionskonstante Absorbtionskonstante ist abhängig von Photon- ist abhängig von Photon-Energie und Art des ÜbergangsEnergie und Art des Übergangs
1717/30/30
Grundlagen – p-n-ÜbergangGrundlagen – p-n-Übergang
Kontaktiere p-dotierte mit n-dotierter SchichtKontaktiere p-dotierte mit n-dotierter Schicht Chemisches Potential unterschiedlich auf beiden SeitenChemisches Potential unterschiedlich auf beiden Seiten LadungsträgerdiffusionLadungsträgerdiffusion Raumladungszone, elektrisches FeldRaumladungszone, elektrisches Feld
1818/30/30
Grundlagen – p-n-ÜbergangGrundlagen – p-n-Übergang
Gleichgewicht: Diffusionsstrom und Driftstrom Gleichgewicht: Diffusionsstrom und Driftstrom kompensieren sichkompensieren sich
VVbibi: Eingebautes Potential durch Raumladungszone: Eingebautes Potential durch Raumladungszone
1919/30/30
Grundlagen – p-n-ÜbergangGrundlagen – p-n-Übergang
Verhalten bei angelegter Spannung:Verhalten bei angelegter Spannung: „„Vorwärts-Vorwärts-
Schaltung“: Schaltung“: Diffusions-Diffusions-strom strom verstärktverstärkt
„„Rückwärts-Rückwärts-Schaltung“: Schaltung“: Diffusions-Diffusions-strom strom geschwächtgeschwächt
Driftstrom Driftstrom konstantkonstant
2020/30/30
Grundlagen – p-n-ÜbergangGrundlagen – p-n-Übergang
Kennlinie des p-n-Übergangs:Kennlinie des p-n-Übergangs:
2121/30/30
Grundlagen - SolarzelleGrundlagen - Solarzelle Driftstrom hängt in erster Linie von Minoritätsladungsträgerdichte abDriftstrom hängt in erster Linie von Minoritätsladungsträgerdichte ab Eingestrahlte Photonen regen e-h-Paare anEingestrahlte Photonen regen e-h-Paare an Mehr Minoritätsladungsträger, die im E-Feld der Raumladungszone Mehr Minoritätsladungsträger, die im E-Feld der Raumladungszone
getrennt werden und abfließengetrennt werden und abfließen Leistung kann abgegriffen werden, Füllfaktor: PLeistung kann abgegriffen werden, Füllfaktor: Pmaxmax/(U/(UmaxmaxIImaxmax))
2222/30/30
Grundlagen - SolarzelleGrundlagen - SolarzelleVerluste:Verluste: Nicht alle einfallenden Photonen werden absorbiertNicht alle einfallenden Photonen werden absorbiert Angeregte Ladungsträger können rekombinierenAngeregte Ladungsträger können rekombinieren
Quantenausbeute: Quantenausbeute: = i / ej = i / ejph ph (bei Si: bis zu 90%)(bei Si: bis zu 90%) Thermalisierungsverluste: höhere Zustände in Bändern Thermalisierungsverluste: höhere Zustände in Bändern
relaxieren spontanrelaxieren spontan Widerstände reduzieren nutzbare LeistungWiderstände reduzieren nutzbare Leistung
2323/30/30
Grundlagen - ZusammenfassungGrundlagen - Zusammenfassung Energiebänder im Halbleiter Energiebänder im Halbleiter
durch Bandlücke getrenntdurch Bandlücke getrennt
Photonabsorbtion regt Elektron vom Photonabsorbtion regt Elektron vom Valenzband ins Leitungsband anValenzband ins Leitungsband an
Elektron-Loch-PaarElektron-Loch-Paar
Elektronen und Löcher werden im Elektronen und Löcher werden im elektrischen Feld der Raumladungszone elektrischen Feld der Raumladungszone getrennt und fließen abgetrennt und fließen ab
p-n-Übergang: Raumladungszone p-n-Übergang: Raumladungszone durch Ladungsträgerdiffusiondurch Ladungsträgerdiffusion
2424/30/30
ÜberblickÜberblick1.1. EinleitungEinleitung
- Historie- Historie- Entwicklung- Entwicklung- Sonneneinstrahlung- Sonneneinstrahlung
2.2. Festkörperphysikalische GrundlagenFestkörperphysikalische Grundlagen- Bandstruktur- Bandstruktur- Halbleiter- Halbleiter- Absorbtion von Licht- Absorbtion von Licht- Der p-n-Übergang- Der p-n-Übergang- Anwendung auf Solarzelle- Anwendung auf Solarzelle
3.3. Solarzellen auf Silizium-BasisSolarzellen auf Silizium-Basis - - Konventionelle SolarzellenKonventionelle Solarzellen - - Dünnschicht-SolarzellenDünnschicht-Solarzellen
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Si-Solarzellen - konventionellSi-Solarzellen - konventionellKonventionelle Solarzelle aus einkristallinem oder Konventionelle Solarzelle aus einkristallinem oder polykristallinem Silizium (c-Si bzw. p-Si):polykristallinem Silizium (c-Si bzw. p-Si):
2626/30/30
Si-Solarzellen - konventionellSi-Solarzellen - konventionellHerstellungHerstellung:: Metallurgisches Si: Quarzsand Metallurgisches Si: Quarzsand
SiOSiO22 + C + C → → Si + COSi + CO22 „„electronic grade“ Si: CVD-electronic grade“ Si: CVD-
Abscheidung von SiHClAbscheidung von SiHCl33 Polykristallines Si (Korngröße: Polykristallines Si (Korngröße: ~1cm)~1cm)
Czochralski-Verfahren: Keimkristall Czochralski-Verfahren: Keimkristall aus Si-Schmelze ziehenaus Si-Schmelze ziehen Einkristallines Si Einkristallines Si (Verunreinigungen < 10(Verunreinigungen < 101818 cm cm-3-3))
p-n-Übergang durch p-n-Übergang durch Eindiffundieren von PhosphorEindiffundieren von Phosphor
Elektrodenauftragung durch Elektrodenauftragung durch Siebdruck mit Al-Paste (800°C)Siebdruck mit Al-Paste (800°C)
2727/30/30
Si-Solarzellen - konventionellSi-Solarzellen - konventionellEinkristallin Einkristallin vs. vs.teuerteuer
15% - 17%15% - 17%(kommerziell) (kommerziell)
24% (Labor)24% (Labor)
30% (2001)30% (2001)5 - 6 Jahre5 - 6 Jahre
PolykristallinPolykristallinbilliger, da Czochralski billiger, da Czochralski
Prozess entfälltProzess entfällt13% - 15%13% - 15%
(kommerziell) (kommerziell) 20% (Labor) 20% (Labor)
(Grund: „dangling (Grund: „dangling bonds“ und bonds“ und Verunreinigungen)Verunreinigungen)
57% (2001)57% (2001)4 - 5 Jahre4 - 5 Jahre
Herstellung:Herstellung:
Wirkungsgrad:Wirkungsgrad:
Anteil an der Anteil an der Produktion:Produktion:
Amortisation:Amortisation:(energetisch)(energetisch)
Degradation:Degradation: 10% - 13% in 20 – 25 Jahren 10% - 13% in 20 – 25 Jahren
2828/30/30
Si-Solarzellen - DünnschichtSi-Solarzellen - DünnschichtMerkmale:Merkmale:
pin-Design: größere pin-Design: größere RaumladungszoneRaumladungszone
amorphes Si: bessere amorphes Si: bessere Absorbtion wg. direktem Absorbtion wg. direktem Übergang (andere Übergang (andere Materialien möglich!)Materialien möglich!)
stab. Wirkungsgrad: stab. Wirkungsgrad: 6% (kommerziell) 6% (kommerziell)
9% (Labor)9% (Labor) Starke Degradation im Starke Degradation im
ersten Jahr (25%)ersten Jahr (25%) Energetische Amortisation Energetische Amortisation
schon nach 3 Jahrenschon nach 3 Jahren
Aufbau:Aufbau:
2929/30/30
Si-Solarzellen - DünnschichtSi-Solarzellen - DünnschichtHerstellung:Herstellung: Aufbringung des TCO auf Glassubstrat durch Aufbringung des TCO auf Glassubstrat durch
Magnetronsputtern (Ionenbeschuss)Magnetronsputtern (Ionenbeschuss) PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) von PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) von
a-Si, Zusetzen von Diboran oder Phosphin für Dotierung, a-Si, Zusetzen von Diboran oder Phosphin für Dotierung, dabei Wasserstoff-Einbau (a-Si:H)dabei Wasserstoff-Einbau (a-Si:H)
Elektrodenaufbringung durch SiebdruckElektrodenaufbringung durch Siebdruck polykristallines Si durch andere Prozessführung möglich, polykristallines Si durch andere Prozessführung möglich,
aber: schlechtere Absorbtion aber: schlechtere Absorbtion light-trapping nötiglight-trapping nötig
Vorteile:Vorteile: Modulgröße nicht beschränkt durch Si-WaferModulgröße nicht beschränkt durch Si-Wafer Weniger EnergieaufwandWeniger Energieaufwand
Kostengünstigere HerstellungKostengünstigere Herstellung
3030/30/30
Si-Solarzellen - ZusammenfassungSi-Solarzellen - Zusammenfassung
Konventionelle Solarzellen aus Konventionelle Solarzellen aus mono- und polykristallinem Si:mono- und polykristallinem Si:
Wirkungsgrad bis 25%Wirkungsgrad bis 25% Amortisationszeit: 4 – 6 JahreAmortisationszeit: 4 – 6 Jahre
Dünnschicht-Solarzellen aus Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Si:amorphem Si:
Wirkungsgrad nur bis ~10%Wirkungsgrad nur bis ~10% Herstellung billigerHerstellung billiger Amortisationszeit: 3 JahreAmortisationszeit: 3 Jahre