Verfügbarkeit: Photovoltaik - Physikalische Grundlagen und Konzepte

Photovoltaik - Physikalische Grundlagen und Konzepte:

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Bauer, Gottfried H. (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	Berlin Springer Spektrum [2023]
Schriftenreihe:	Lehrbuch
Schlagworte:	Fotovoltaik Photovoltaik Solarzelle Solaranlage Halbleiter Wirkungsgrad Lehrbuch
Online-Zugang:	Inhaltstext http://www.springer.com/ Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	XVI, 300 Seiten Illustrationen, Diagramme 23.5 cm x 15.5 cm
ISBN:	9783662662908 3662662906

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adam_text	1 EINFUEHRUNG . 1 1.1 VERSCHIEDENE FORMEN DER PRIMAERENERGIE . 1 1.2 GLOBALER UND LOKALER BEDARF AN PRIMAERENERGIE . 2 1.3 FLAECHENBEDARF UND TECHNOLOGISCHER AUFWAND VON PHOTOVOLTAIKANLAGEN . 3 LITERATUR . 4 2 STRAHLUNGSQUELLE SONNE . 5 2.1 THERMISCHE STRAHLUNG AUS DEM FUSIONSREAKTOR SONNE . 6 2.2 GEOMETRISCHE KONFIGURATION SONNE-PLANETEN . 6 2.3 DIE SONNE AUS DER SICHT EINES IRDISCHEN BEOBACHTERS . 8 2.4 SPEKTRALE VERTEILUNG DER SOLAREN STRAHLUNG . 9 2.4.1 ANSATZ NACH PLANCK . 9 2.4.2 ANSATZ MIT EINEM ELEKTRONISCHEN ZWEI-NIVEAU-SYSTEM . 14 2.4.3 EMISSION AUS DEM PLANCK-VOLUMEN . 16 2.5 ABSORPTIONS UND EMISSIONSVERMOEGEN . 18 2.5.1 WELLENLENABHAENGIGKEIT VON ABSORPTIONS UND EMISSIONSVERMOEGEN . 18 2.5.2 KIRCHHOFF ' SCHES STRAHLUNGSGESETZ . 18 2.6 STRAHLUNGSBILANZEN . 20 2.6.1 SONNE-ERDE . 20 2.6.2 SONNE-ERDE MIT SPEICHERUNG ODER ENTNAHME CHEMISCHER ENERGIE . 21 2.6.3 SONNE-PLANETEN . 23 2.7 KONZENTRATION SOLARER STRAHLUNG . 24 2.7.1 KONZENTRATIONSFAKTOR RAUMWINKEL . 24 2.7.2 KONZENTRATION MIT DER NAEHERUNG DER GEOMETRISCHEN OPTIK . 25 2.7.3 ETENDUE ALS ERHALTUNGSGROESSE . 30 2.7.4 NICHTABBILDENDE KONZENTRATION . 32 2.8 PARTIKELEIGENSCHAFTEN SOLARER STRAHLUNG . 33 2.8.1 GESAMTER SOLARER PHOTONENSTROM . 34 2.8.2 MITTLERE ENERGIE SOLARER PHOTONEN . 34 VII VIII INHALTSVERZEICHNIS 2.8.3 ENERGETISCHE BARRIERE FUER SOLARE PHOTONEN . 34 2.8.4 IMPULS SOLARER PHOTONEN UND PHOTONENDRUCK . 35 2.9 ENTROPIESTROMDICHTE SOLARER PHOTONEN . 37 2.10 DAS CHEMISCHE POTENTIAL VON STRAHLUNG . 38 2.11 FRAGEN/AUFGABEN ZU KAP. 2 . 43 LITERATUR . 43 3 THEORETISCHE GRENZEN DER WANDLUNG SOLARER STRAHLUNG . 45 3.1 THERMODYNAMISCHE BEZIEHUNGEN . 45 3.1.1 CARNOT-ANSATZ . 45 ' 3.1.2 ENERGIETRANSPORT DURCH STRAHLUNG . 46 3.2 ENDOREVERSIBLE THERMODYNAMIK . 49 3.2.1 CURZON-AHLBORN-MASCHINE . 49 3.2.2 STEFAN-BOLTZMANN-KONZEPT . 52 3.2.3 MUESER-MASCHINE . 55 3.2.4 MUESER-ANORDNUNG FUER MAXIMALE STRAHLUNGSKONZENTRATION . 58 3.3 DIREKTE WANDLUNG IN ELEKTRISCHE ENERGIE DURCH ANREGUNG EINES ELEKTRONENSYSTEMS . 59 3.3.1 RATENBILANZ OHNE ELEKTRISCHEN KONTAKT NACH AUSSEN UND MAXIMALES CHEMISCHES POTENTIAL . 60 3.3.2 RATENBILANZ MIT ENTNAHME VON ANGEREGTEN ZUSTAENDEN . 63 3.3.3 WIRKUNGSGRAD EINES IDEALEN ELEKTRONISCHEN SYSTEMS . 67 3.3.4 INJEKTION VON LADUNGEN AUS EINER AEUSSEREN QUELLE . 68 3.4 WANDLUNG MONOCHROMATISCHER STRAHLUNG . 70 3.5 SPEKTRALE UNTERTEILUNG DER SOLAREN STRAHLUNG . 70 3.5.1 SPEKTRAL SELEKTIVE ABSORPTION . 70 3.5.2 PHOTONENENERGIE UND ENERGETISCHE SCHWELLE ZUR ABSORPTION . 71 3.5.3 MULTISPEKTRALE NUTZUNG . 71 3.6 FRAGEN/AUFGABEN ZU KAP. 3 . 73 LITERATUR . 74 4 GRUNDLEGENDE PRINZIPIEN DER PHOTOVOLTAIK . 75 4.1 ANREGUNG DURCH STRAHLUNG . 76 4.2 ELEKTRONISCHE ZUSTAENDE . 76 4.3 DICHTEN ELEKTRONISCHER ZUSTAENDE . 80 4.4 EFFEKTIVE MASSE . 82 4.5 UNTERSCHEIDUNG METALL - HALBLEITER . 84 4.6 WECHSELWIRKUNG VON STRAHLUNG MIT MATERIE IM WELLENBILD . 86 4.6.1 KOMPLEXER BRECHUNGSINDEX . 86 4.6.2 PROPAGATION IN MATERIE UND AMPLITUDENDAEMPFUNG . 89 4.6.3 PROPAGATION UEBER PHASENGRENZEN/REFLEXION . 90 4.6.4 MATRIX-TRANSFER-FORMALISMUS . 92 4.6.5 EINKOPPLUNG VON STRAHLUNG IN MATERIE . 94 INHALTSVERZEICHNIS IX 4.7 ABSORPTION VON STRAHLUNG IM TEILCHENBILD . 94 4.7.1 DIREKTE UEBERGAENGE ZWISCHEN ENERGIEBAENDERN . 95 4.7.2 INDIREKTE UEBERGAENGE ZWISCHEN ENERGIEBAENDERN . 97 4.7.3 UEBERGAENGE MIT BETEILIGUNG VON DEFEKTEN, VERUNREINIGUNGEN/DOTIERATOMEN UND BANDAUSLAEUFERZUSTAENDEN . 99 4.8 BESETZUNG VON ELEKTRONISCHEN ENERGIENIVEAUS . 102 4.8.1 THERMISCHES GLEICHGEWICHT . 102 4.8.2 KONZEPT DER DEFEKTELEKTRONEN . 103 4.8.3 BESETZUNG VON NIVEAUS UNTER PHOTOANREGUNG . 104 4.8.4 PHOTOANREGUNG UND QUASI-FERMI-NIVEAUS . 104 4.9 REKOMBINATION . 108 4.9.1 REKOMBINATIONSKOEFFIZIENTEN . 109 4.9.2 UEBERGAENGE ZWISCHEN ENERGIENIVEAUS . 110 4.9.3 REKOMBINATIONSPROZESSE . HO 4.10 EXZI TONEN . 120 4.10.1 FRENKEL EXZITONEN . 122 4.10.2 MOTT-WANNIER EXZITONEN . 122 4.11 TRANSPORTVORGAENGE . 123 4.11.1 BOLTZMANN-TRANSPORTGLEICHUNG . 123 4.11.2 LADUNGSTRANSPORT . 125 4.11.3 TRANSPORTEIGENSCHAFTEN . 128 4.11.4 GRADIENTEN ALS TREIBENDE KRAEFTE . 132 4.11.5 KONTINUITAETSGLEICHUNGEN FUER ELEKTRONEN UND LOECHER . 135 4.11.6 TRANSPORT EXZITONISCHER ANREGUNGSZUSTAENDE . 136 4.11.7 TUNNELEFFEKT . 137 4.12 STRUKTUR IDEALER SOLARZELLEN . 139 4.13 ARBEITSPUNKT MAXIMALER AUSGANGSLEISTUNG . 144 4.14 VORZEICHENUMKEHR VON PHOTONEN UND LADUNGSTRAEGERSTROEMEN . 145 4.15 IRREVERSIBLE EFFEKTE UND ENTROPIETERME . 148 4.15.1 ABSORPTION SOLARER PHOTONEN UND PHOTON COOLING . 148 4.15.2 ENTROPIEGENERATION BEIM TRANSPORT . 150 4.16 FRAGEN/AUFGABEN ZU KAP. 4 . 153 LITERATUR . 153 5 SOLARZELLEN AUS ANORGANISCHEN UND ORGANISCHEN HALBLEITERN . 155 5.1 ANORGANISCHE HALBLEITER . 156 5.1.1 ANORGANISCHE HALBLEITER IM THERMISCHEN GLEICHGEWICHT . 158 5.1.2 ANORGANISCHE HALBLEITER UNTER BELEUCHTUNG . 162 X INHALTSVERZEICHNIS 5.1.3 AUFSPALTUNG DER QUASI-FERMI-NIVEAUS IN ANORGANISCHEN HALBLEITERN . 163 5,1.4 QUASI-FERMI-NIVEAUS MIT RANDEFFEKTEN . 164 5.1.5 BARRIEREN . 166 5.1.6 RAUMLADUNGSZONEN . 166 5.2 HOMOGENER PN-UEBERGANG . 169 5.2.1 RAUMLADUNGSZONE IM HOMOGENEN PN-UEBERGANG ALS EINFACHES BEISPIEL . 169 5.2.2 STROMDICHTE-SPANNUNGS-RELATION DER UNBELEUCHTETEN PN-DIODE . 173 5.2.3 BELEUCHTETE PN-DIODE . 180 5.2.4 QUASI-FERMI-NIVEAUS IN EINER BELEUCHTETEN HOMOGENEN PN-DIODE . 181 5.2.5 AUSGANGSSPANNUNG EINER BELEUCHTETEN DIODE . 183 5.2.6 IDEALITAETSFAKTOR EINER DIODE . 186 5.2.7 RAUMLADUNGSZONE UND GRADIENTEN DER BAENDER . 190 5.2.8 DAS SOGENANNTE BACK YYSURFACE FIELD " . 191 5.3 KONTAKTE . 194 5.4 HETEROUEBERGAENGE . 195 5.4.1 KONZEPT DER HETERO-DIODE . 195 5.4.2 ELEKTRONISCHE EIGENSCHAFTEN VON HETERO-DIODEN . 197 5.5 P-I-N-DIODEN . 199 5.5.1 KONZEPT DER P-I-N-DIODE . 199 5.5.2 RAUMLADUNG UND BAENDER IN P-I-N-DIODEN . 200 5.5.3 BELEUCHTETE P-I-N-DIODE . 201 5.6 METALL-HALBLEITER-DIODEN . 204 5.6.1 BANDDIAGRAMM UND RAUMLADUNGSZONE IN SCHOTTKY-DIODEN . 204 5.6.2 SCHOTTKY-DIODE UNTER BELEUCHTUNG . 207 5.7 ORGANISCHE MATERIE FUER STRAHLUNGSWANDLUNG . 209 5.7.1 ORGANISCHE SYSTEME MIT -BINDUNGEN . 210 5.7.2 ELEKTRONISCHE EIGENSCHAFTEN . 211 5.7.3 ABSORPTION VON PHOTONEN UND GENERATION VON EXZITONEN . 211 5.7.4 DONATOR-AKZEPTOR STRUKTUREN ZUR STRAHLUNGSWANDLUNG . 213 5.7.5 FARBSTOFFSENSIBILISIERTE ABSORBER . 216 5.7.6 STROMDICHTE-SPANNUNGS-KENNLINIEN VON ORGANISCHEN SOLARZELLEN . 218 5.8 PHOTOELEKTROCHEMISCHE UND PHOTOCHEMISCHE ZELLEN . 219 5.8.1 PHOTOELEKTROCHEMISCHE ZELLEN . 219 5.8.2 PHOTOCHEMISCHE ZELLEN . 219 5.9 ABSORPTIONSPROFILE . 221 5.9.1 EXPONENTIELLE GENERATIONSPROFILE UND OPTIMALE DICKE VON ABSORBERN . 222 INHALTSVERZEICHNIS XI 5.10 ELEKTRISCHE ERSATZSCHALTUNG BELEUCHTETER DIODEN . 223 5.11 WIRKUNGSGRADE VON REALEN SOLARZELLEN . 226 5.11.1 VERLUSTE IN REALEN SOLARZELLEN . 226 5.11.2 TABELLE ZU WIRKUNGSGRADEN VON SOLARZELLEN . 226 5.12 FRAGEN/AUFGABEN ZU KAP. 5 . 227 LITERATUR . 228 6 KONZEPTE ZUR ERHOEHUNG DER AUSBEUTE . 231 6.1 ERHOEHUNG DER PHOTONDICHTE IM ABSORBER . 233 6.1.1 EINKOPPLUNG VON PHOTONEN IN MATERIE . 233 6.1.2 RAUHE UND STRUKTURIERTE OBERFLAECHEN . 233 6.1.3 KONZENTRATION DER STRAHLUNG . 235 6.2 SPEKTRALE UNTERTEILUNG SOLARER PHOTONEN . 237 6.2.1 SPEKTRALE SEPARATION MIT OPTISCHEN METHODEN . 238 6.2.2 ABFOLGE VON ABSORBERN MIT UNTERSCHIEDLICHEN BANDABSTAENDEN - TANDEMSOLARZELLEN . 238 6.2.3 IMB-SOLARZELLEN . 241 6.2.4 UNTERTEILUNG EINES HOMOGENEN ABSORBERS . 242 6.3 SPEKTRALE MANIPULATION SOLARER PHOTONEN . 244 6.3.1 VERRINGERUNG DER PHOTONENENERGIE - . 244 6.3.2 ERHOEHUNG DER PHOTONENENERGIE - UP-CONVERSION . 245 6.3.3 AENDERUNG DER PHOTONENENERGIE MIT GLEICHZEITIGER KONZENTRATION DER STRAHLUNG . 246 6.4 UEBERSCHUSSENERGIE DER LADUNGSTRAEGER, HOT ELECTRONS . 253 6.4.1 EXTRAKTION HOCHENERGETISCHER ELEKTRONEN . 255 6.4.2 IMPACT LONIZATION . 256 6.4.3 MEHRFACH-TRAEGERGENERATION DURCH EIN PHOTON . 257 6.5 PLASMONISCHE EFFEKTE . 259 6.5.1 PLASMONEN IN METALLCLUSTERN . 260 6.5.2 PLASMONRESONANZ ZUR GENERATION FREIER LADUNGSTRAEGER . 261 6.6 THERMOPHOTOVOLTAIK . 261 LITERATUR . 262 ANHANG . 265 STICHWORTVERZEICHNIS . 297
adam_txt	1 EINFUEHRUNG . 1 1.1 VERSCHIEDENE FORMEN DER PRIMAERENERGIE . 1 1.2 GLOBALER UND LOKALER BEDARF AN PRIMAERENERGIE . 2 1.3 FLAECHENBEDARF UND TECHNOLOGISCHER AUFWAND VON PHOTOVOLTAIKANLAGEN . 3 LITERATUR . 4 2 STRAHLUNGSQUELLE SONNE . 5 2.1 THERMISCHE STRAHLUNG AUS DEM FUSIONSREAKTOR SONNE . 6 2.2 GEOMETRISCHE KONFIGURATION SONNE-PLANETEN . 6 2.3 DIE SONNE AUS DER SICHT EINES IRDISCHEN BEOBACHTERS . 8 2.4 SPEKTRALE VERTEILUNG DER SOLAREN STRAHLUNG . 9 2.4.1 ANSATZ NACH PLANCK . 9 2.4.2 ANSATZ MIT EINEM ELEKTRONISCHEN ZWEI-NIVEAU-SYSTEM . 14 2.4.3 EMISSION AUS DEM PLANCK-VOLUMEN . 16 2.5 ABSORPTIONS UND EMISSIONSVERMOEGEN . 18 2.5.1 WELLENLENABHAENGIGKEIT VON ABSORPTIONS UND EMISSIONSVERMOEGEN . 18 2.5.2 KIRCHHOFF ' SCHES STRAHLUNGSGESETZ . 18 2.6 STRAHLUNGSBILANZEN . 20 2.6.1 SONNE-ERDE . 20 2.6.2 SONNE-ERDE MIT SPEICHERUNG ODER ENTNAHME CHEMISCHER ENERGIE . 21 2.6.3 SONNE-PLANETEN . 23 2.7 KONZENTRATION SOLARER STRAHLUNG . 24 2.7.1 KONZENTRATIONSFAKTOR RAUMWINKEL . 24 2.7.2 KONZENTRATION MIT DER NAEHERUNG DER GEOMETRISCHEN OPTIK . 25 2.7.3 ETENDUE ALS ERHALTUNGSGROESSE . 30 2.7.4 NICHTABBILDENDE KONZENTRATION . 32 2.8 PARTIKELEIGENSCHAFTEN SOLARER STRAHLUNG . 33 2.8.1 GESAMTER SOLARER PHOTONENSTROM . 34 2.8.2 MITTLERE ENERGIE SOLARER PHOTONEN . 34 VII VIII INHALTSVERZEICHNIS 2.8.3 ENERGETISCHE BARRIERE FUER SOLARE PHOTONEN . 34 2.8.4 IMPULS SOLARER PHOTONEN UND PHOTONENDRUCK . 35 2.9 ENTROPIESTROMDICHTE SOLARER PHOTONEN . 37 2.10 DAS CHEMISCHE POTENTIAL VON STRAHLUNG . 38 2.11 FRAGEN/AUFGABEN ZU KAP. 2 . 43 LITERATUR . 43 3 THEORETISCHE GRENZEN DER WANDLUNG SOLARER STRAHLUNG . 45 3.1 THERMODYNAMISCHE BEZIEHUNGEN . 45 3.1.1 CARNOT-ANSATZ . 45 ' 3.1.2 ENERGIETRANSPORT DURCH STRAHLUNG . 46 3.2 ENDOREVERSIBLE THERMODYNAMIK . 49 3.2.1 CURZON-AHLBORN-MASCHINE . 49 3.2.2 STEFAN-BOLTZMANN-KONZEPT . 52 3.2.3 MUESER-MASCHINE . 55 3.2.4 MUESER-ANORDNUNG FUER MAXIMALE STRAHLUNGSKONZENTRATION . 58 3.3 DIREKTE WANDLUNG IN ELEKTRISCHE ENERGIE DURCH ANREGUNG EINES ELEKTRONENSYSTEMS . 59 3.3.1 RATENBILANZ OHNE ELEKTRISCHEN KONTAKT NACH AUSSEN UND MAXIMALES CHEMISCHES POTENTIAL . 60 3.3.2 RATENBILANZ MIT ENTNAHME VON ANGEREGTEN ZUSTAENDEN . 63 3.3.3 WIRKUNGSGRAD EINES IDEALEN ELEKTRONISCHEN SYSTEMS . 67 3.3.4 INJEKTION VON LADUNGEN AUS EINER AEUSSEREN QUELLE . 68 3.4 WANDLUNG MONOCHROMATISCHER STRAHLUNG . 70 3.5 SPEKTRALE UNTERTEILUNG DER SOLAREN STRAHLUNG . 70 3.5.1 SPEKTRAL SELEKTIVE ABSORPTION . 70 3.5.2 PHOTONENENERGIE UND ENERGETISCHE SCHWELLE ZUR ABSORPTION . 71 3.5.3 MULTISPEKTRALE NUTZUNG . 71 3.6 FRAGEN/AUFGABEN ZU KAP. 3 . 73 LITERATUR . 74 4 GRUNDLEGENDE PRINZIPIEN DER PHOTOVOLTAIK . 75 4.1 ANREGUNG DURCH STRAHLUNG . 76 4.2 ELEKTRONISCHE ZUSTAENDE . 76 4.3 DICHTEN ELEKTRONISCHER ZUSTAENDE . 80 4.4 EFFEKTIVE MASSE . 82 4.5 UNTERSCHEIDUNG METALL - HALBLEITER . 84 4.6 WECHSELWIRKUNG VON STRAHLUNG MIT MATERIE IM WELLENBILD . 86 4.6.1 KOMPLEXER BRECHUNGSINDEX . 86 4.6.2 PROPAGATION IN MATERIE UND AMPLITUDENDAEMPFUNG . 89 4.6.3 PROPAGATION UEBER PHASENGRENZEN/REFLEXION . 90 4.6.4 MATRIX-TRANSFER-FORMALISMUS . 92 4.6.5 EINKOPPLUNG VON STRAHLUNG IN MATERIE . 94 INHALTSVERZEICHNIS IX 4.7 ABSORPTION VON STRAHLUNG IM TEILCHENBILD . 94 4.7.1 DIREKTE UEBERGAENGE ZWISCHEN ENERGIEBAENDERN . 95 4.7.2 INDIREKTE UEBERGAENGE ZWISCHEN ENERGIEBAENDERN . 97 4.7.3 UEBERGAENGE MIT BETEILIGUNG VON DEFEKTEN, VERUNREINIGUNGEN/DOTIERATOMEN UND BANDAUSLAEUFERZUSTAENDEN . 99 4.8 BESETZUNG VON ELEKTRONISCHEN ENERGIENIVEAUS . 102 4.8.1 THERMISCHES GLEICHGEWICHT . 102 4.8.2 KONZEPT DER DEFEKTELEKTRONEN . 103 4.8.3 BESETZUNG VON NIVEAUS UNTER PHOTOANREGUNG . 104 4.8.4 PHOTOANREGUNG UND QUASI-FERMI-NIVEAUS . 104 4.9 REKOMBINATION . 108 4.9.1 REKOMBINATIONSKOEFFIZIENTEN . 109 4.9.2 UEBERGAENGE ZWISCHEN ENERGIENIVEAUS . 110 4.9.3 REKOMBINATIONSPROZESSE . 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