Photovoltaik: Solarstrahlung und Halbleitereigenschaften ; Solarzellenkonzepte und Aufgaben ; mit ... 20 Übungsaufgaben
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
V
Symbole
IX
1. Einleitung 1
1.1 Geschichtliche Entwicklung der Photovoltaik 3
2. Die Solarstrahlung als Energiequelle der Photovoltaik 7
2.1 Strahlungsquelle Sonne und Strahlungsempfänger Erde 7
2.2 Die Sonne als Schwarzer Strahler 9
2.3 Leistung und spektrale Verteilung der terrestrischen Solarstrahlung 10
3. Halbleitermaterial
fur
die photovoltaische Energiewandlung 19
3.1 Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Festkörper 19
3.2 Photovoltaischer Grenzwirkungsgrad 22
3.3 Beschreibung der Ladungsträgergeneration durch Absorption von Strahlung 25
3.4 Grundlagen der Halbleitertechnik
fur
Solarzellen 29
3.5 Überschussladungsträgerprofil in homogenem Halbleitermaterial 31
3.6 Strategien zur Trennung der generierten Überschussladungsträger 38
3.7 Reflexionsverluste 41
4. Grundlagen
fur
Solarzellen aus kristallinem Halbleitermaterial 43
4.1 Die Halbleiterdiode als Solarzelle 43
4.2 Grundmodell einer kristallinen Solarzelle 45
4.2.1 Elektronenstrom 47
4.2.2 Löcherstrom 49
4.2.3 Gesamtstrom 51
4.2.4 Spektrale Empfindlichkeit 53
4.3 Bestrahlung mit einem Standardspektrum 55
4.4 Technische Solarzellen-Parameter 56
4.5 Das Ersatzschaltbild einer kristallinen Solarzelle 58
4.6 Grenzwirkungsgrad einer Dioden-Solarzelle aus Silizium 59
VI
Inhaltsverzeichnis
5. Monokristalline Silizium-Solarzellen 63
5.1 Diskussion der spektralen Empfindlichkeit 63
5.2 Temperaturverhalten der Generatoreigenschaften 73
5.3 Parameter einer optimierten c-Si-Solarzelle 76
5.4 Kristallzüchtung 77
5.5 Präparation 79
5.6 Hochleistungs-Solarzellen 82
5.7 Degradation der Solarzelleneigenschaften beim Einsatz im Weltraum
(radiation damage)
86
6. Polykristalline Silizium-Solarzellen 90
6.1 Aufbereitung des Ausgangsmaterials zum SGS-Silizium 90
6.2 Neue Verfahren zur Raffination von Silizium: Wirbelschicht-Verfahren für
SoG-Silizium sowie Abscheidung von UMG-Silizium aus einer Silizium-
Aluminium-Schmelze im Vergleich zum EGS-Material , 95
6.3 Kokillenguss-Verfahren für multikristalline Silizium-Blöcke (mc-Si)
f
99
6.4 Modell der Korngrenze im multikristallinen Silizium '; 102
6.4.1 Berechnung der spektralen Überschussladungsträgerdichte 104
6.4.2 Zweidimensionales Randwertproblem der Photostromdichte eines
einzelnen Mikrokristalliten 106
6.5 Bewertung von spektraler Empfindlichkeit und Photostromdichte 111
6.6 Präparation 115
7. Solarzellen aus Verbindungshalbleitern 119
7.1 Vergleich der Solarzellenmaterialien Silizium und Galliumarsenid 119
7.2 Konzept der GaAs-Solarzelle mit AlGaAs-Fensterschicht 120
7.3 Modellrechnung zur AlGaAs/GaAs-Solarzel
le
121
7.4 Kristallzüchtung 127
7.5 Flüssigphasen-Epitaxie für GaAs-Solarzellen 129
7.6 Präparation von GaAs-Solarzellen mit LPE 130
7.7 Gasphasen-Epitaxie der Ill/V-Halbleiter zur Abscheidung dünnster Schichten 130
7.8 Stapel-Solarzellen aus
III/
V-Halbleiter-Material 132
7.9 Konzentrator-Technologie mit
II
I/V-Stapelzellen 136
8. Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium 140
8.1 Eigenschaften des amorphen Siliziums 140
8.2 Dotieren des amorphen Siliziums 144
8.3 Physikalisches Modell der a-Si:H-Solarzelle 148
Inhaltsverzeichnis^
VII
8.3.1 Dunkelstrom 149
8.3.2 Photostrom 152
8.4 Präparation 159
8.5 Verringerung der Degradationseffekte 163
8.6 Herstellung von a-SKH-Solarzellen 164
9. Alternative Solarzellen-Konzepte 167
9.1 Bifacial-MIS-Solarzelle aus kristallinem Silizium 167
9.2 Solarzellen aus Kupfer-lndium-Diselenid (CuInSe2) 168
9.3 a-SiiH/c-Si-Solarzellen 169
9.4 Die Kugelelement-Solarzelle 171
9.5 Solarzellen aus organischen Halbleitern
1
73
9.5.1 Halbleiter aus organischen Molekülen 173
9.5.2 Solarzellen aus organischem Werkstoff 176
9.5.3 Farbstoff-Solarzellen (engl.:
dye solar cells)
178
9.6 Solarzellen der 3. Generation 179
10. Ausblick 183
Anhang
A
Rechnungen und Tabellen 185
A.l Lösung des Integrals zur Berechnung des Grenzwirkungsgrades 185
A.2 Lösung der Diffusionsgleichung 187
A.3 Das Standardspektrum AMI.5global 193
A.4 Der Absorptionskoeffizient von Silizium für T=300
К
194
Anhang
В
Übungsaufgaben 195
Aufgabe Ü 2.1 zum Kap. 2 AM-Werte unterschiedlicher Orte in Europa 195
Aufgabe Ü 2.2 zum Kap. 2 Abschätzung der Solarkonstanten Eo mit einfachen
Mitteln 197
Aufgabe Ü 2.3 zum Kap. 2 Abschätzung des AM{ 1,5)-Wertes für Berlin 199
Aufgabe Ü 2.4 zum Kap. 2 Tägliche Sonnenbahn und solare Bestrahlungsstärke
sowie Tages- und Jahressummen der Sonnenenergie auf einer
Horizontalfläche an einem Ort wie Berlin 201
Aufgabe Ü 3.1 zum Kap. 3 Dember-Solarzelle 208
Aufgabe Ü 3.2 zum Kap. 3 Zweidimensionale numerische Lösung der
Differentialgleichung der Ladungsträger-Diffusion 212
Aufgabe Ü 3.3 zum Kap. 3 Analytische Lösung der partiellen
Differentialgleichung der Elektronen-Verteilung
Δη(χ,ν)
in einer p-leitenden
Silizium-Scheibe der Größe BH unter solarer Beleuchtung 217
Aufgabe Ü 5.1 zum Kap. 5 Analyse von Silizium-Solarzellen 219
VIII Inhaltsverzeichnis
Aufgabe Ü 5.01 zum Kap. 5 Messung der Generator-Kennlinie 221
Aufgabe Ü 5.02 zum Kap. 5 Messung der spektralen Empfindlichkeit 223
Aufgabe Ü 5.03 zum Kap. 5 Messung der Sperrschicht-Kapazität von Solarzellen 226
Aufgabe Ü 5.04 zum Kap. 5 Bestimmung des Dioden-Sperrsättigungsstromes Io
durch Messungen von Kurzschluss-Strom IPh(E) und Leerlauf-Spannung
UL(E)
bei jeweils zwei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken Ei und E2 229
Aufgabe Ü 5.05 zum Kap. 5 Bestimmung des parasitären Serienwiderstandes Rs
durch Errechnung der Tangente im Leerlaufpunkt UL=U(l=0) nach
vorheriger Bestimmung des Sättigungssperrstromes Io 232
Aufgabe Ü 5.06 zum Kap. 5 Bestimmung des parasitären Parallelwiderstandes RP
durch Berechnung der Tangente im Kurzschlusspunkt IK^I(U=0) nach
vorheriger Bestimmung von Rs 233
Aufgabe Ü 5.07 zum Kap. 5 Berechnung des Diffusionskoeffizienten der
Ladungsträger in Basis und Emitter 235
Aufgabe Ü 5.08 zum Kap. 5 Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger der
Basis , 236
Aufgabe Ü 5.09 zum Kap. 5 Bestimmung der Diffusionslänge des höher dotierte^
Bereiches ·, 238
Aufgabe Ü 5.
1
0 zum Kap. 5 Externer Quantenwirkungsgrad QCxt(k) als Messgröße
und als Rekonstruktion 239
Aufgabe Ü 5.11 zum Kap. 5 Generator-Kennlinie I(U) als Rekonstruktion aus den
Halbleiterparametern 242
Aufgabe Ü 7.1 zum Kap. 7 Ultimativer Wirkungsgrad einer Sechsfach-Stapel-
Solarzelle („Sixtupel
Cell")
248
Anhang
С
Technologische Übungen 252
С
1 Einfache Technologie von Silizium-Solarzellen an der TU Berlin 252
C2 Herstellung einer Farbstoff-Solarzelle mit einfachsten Mitteln 256
Literatur 258
Stichwortverzeichnis 263
Verzeichnis der Tafeln
Detektoren zur Vermessung der terrestrischen Sonnenstrahlung 17
Zusammenhänge zwischen den wichtigsten photoelektrischen Größen 28
Strategien zur Trennung von Überschussladungsträgerprofilen 40
Messung der spektralen Empfindlichkeit 73
Material- und Energieaufwand für die Solarzellen-Herstellung aus Silizium 95
Messung der Generator-Kennlinie in kalibrierter Bestrahlung AM(1,5) 138 |
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