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Konstanzer Online-Publikations-System (KOPS) URL: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:352-0-372644
Tag der mündlichen Prüfung: 04.11.2016 1. Referent: Prof. Dr. Gerhard Willeke 2. Referent: Prof. Dr. Lukas Schmidt‐Mende
Inhalt
1 Einle 2 Grun
2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 3 Sonne
3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 4 Verfa
4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1
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17 17 19 20 25 25 26 28 31 33
33 33 36 36 37 37 41 42 42
4.3.2 4.3.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 5 Mode
5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 6 Neue
6.1 6.1.1 6.1.2 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4
Anwendung Zusammenf Sensitivitä Simulations Einfluss der Einfluss von Einfluss von Zusammenf ellbasierte Simulation Allgemeines Strahlverfol Intensitätsv Intensitätsv Zusammenf Untersuchu Einflusspar Simulations Einfluss der Minimierun Zusammenf Einfluss de Strahlverfol Lokale Stro Netzwerksi Einfluss ein Zusammenf Konzepte Motivation EQE Messun Voraussetzu Aufbau zur Setup Charakteris Messung de Zusammenf EQE von CP Adaption de Einfluss von Methode zu Zusammenf
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143 151 153 157 157 159 159 160
1
1 Einleitung
Die heutige Gesellschaft sieht sich mit einer grundlegenden Energieproblematik konfrontiert:
Einerseits führen das Bevölkerungswachstum und die moderne Lebensweise zu einem immer größer werdenden Bedarf an Energie, andererseits wächst aufgrund von Umweltschäden und steigender Ressourcenknappheit das Bedürfnis nach einer nachhaltigeren Energieversorgung.
Die Photovoltaik (PV), mit welcher die Energie der Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann, stellt hierbei eine vielversprechende Möglichkeit zur Stromerzeugung dar. Intensive Forschung auf dem Gebiet der PV hat dazu geführt, dass Silicium‐Solarzellen mittlerweile 25.6% der Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln können [1]. Diese Effizienz ist jedoch nicht beliebig steigerbar, sondern an theoretische Grenzen gebunden. Shockley und Queisser wiesen 1961 ein oberes Limit1 nach [3], welches bei der heutigen Silicium‐PV bereits bei 29.4% erreicht ist [2].
Eine Möglichkeit, dennoch zu höheren Wirkungsgraden zu gelangen, stellt die Stapelung mehrerer Solarzellen unterschiedlicher Bandlücken dar. Diese sogenannten Mehrfachsolarzellen ermöglichen eine weit effizientere Nutzung des Sonnenspektrums, womit aktuell bereits Wirkungsgrade von bis zu 46.0% (AM1.5d bei 508‐facher Konzentration) erzielt werden können [1]. Aufgrund der weit höheren Herstellungskosten werden diese Zellen jedoch nicht wie sonst üblich in Flachmodulen eingesetzt. Stattdessen wird zur Reduktion der Gesamtkosten die Zellgröße verringert und vergleichsweise kostengünstige Optiken verwendet, um das Licht auf die Solarzellen zu fokussieren. Dieses Prinzip wird Konzentrator‐Photovoltaik CPV (engl. concentrator photovoltaics) genannt und ermöglicht derzeit bereits Modulwirkungsgrade von 38.9% [1]. Kostenstudien zeigen, dass Konzentratormodule gerade an sonnenreichen Standorten bereits jetzt einen Kostenvorteil gegenüber herkömmlichen Siliziummodulen bieten [4]. So ist in den letzten Jahren nicht nur ein neuer Forschungs‐, sondern auch ein neuer Industriezweig entstanden.
Ein grundlegender Aspekt der PV Industrie und Forschung ist die Charakterisierung der Photovoltaik Module. Industriell werden die Methoden der Charakterisierung hauptsächlich in der Qualitätskontrolle eingesetzt. Hierdurch kann zum einen die Fehlerfreiheit der Module garantiert, zum anderen aber auch deren Leistung und somit der Preis pro Peak Leistung [€/WP] ermittelt werden. Dieser ist letzten Endes der entscheidende Faktor für Investoren und somit die treibende Kraft auf dem PV Markt. Von noch grundlegenderem Interesse ist die Charakterisierung in Forschung und Entwicklung. Hier werden Charakterisierungsmethoden eingesetzt, um die Eigenschaften der Solarzellen eingehend zu untersuchen und somit mögliche Fortschritte in der Entwicklung bzw. mögliches Verbesserungspotenzial zu analysieren.
1 Bei den Untersuchungen von Shockley und Queisser wurde eine ideale Solarzelle, welche lediglich den Effekt der strahlenden Rekombination aufweist, betrachtet. Da bei Si‐Solarzellen die Auger‐
Rekombination der dominantere Effekt ist, wurde dieser von Richter et al. in [2] miteinbezogen.
2 1 Einleitung Eine der wichtigsten Charakterisierungsmethoden in der CPV stellt die Messung der Strom‐
Spannungs‐Kennlinie unter definierten Beleuchtungs‐ und Umgebungsbedingungen dar.
Diese Bedingungen können auf zwei Arten erreicht werden. Zum einen können die Konzentratormodule im Freiland mit natürlichem Licht beleuchtet und gemessen werden.
Tages‐ und jahreszeit‐, sowie wetterbedingt kann es in manchen Fällen jedoch Wochen bis Monate dauern, bis die geforderten Beleuchtungs‐ und Umgebungsbedingungen vorliegen.
Eine weitere Möglichkeit stellt die künstliche Generierung dieser Bedingungen dar. Hierfür kommen sogenannte Sonnensimulatoren zum Einsatz. Diese weisen die Vorteile auf, schnell, reproduzierbar und kontrollierbar zu sein, womit sie sich (im Gegensatz zur Freilandcharakterisierung) auch für einen industriellen Einsatz eignen. Die Strahlung der Sonnensimulatoren muss hierfür jedoch spezielle Eigenschaften aufweisen. Sie muss möglichst großflächig sowie homogen sein und zudem eine definierte spektrale Bestrahlungsstärke mit sonnenähnlicher Winkelverteilung aufweisen. Die Notwendigkeit einer sonnenähnlichen Winkelverteilung stellt hierbei einen grundlegenden Unterschied zu Sonnensimulatoren für PV Module dar. Somit müssen die Eigenschaften der Sonnenstrahlen, die zum einen nahezu parallel, zum anderen aus einem Winkelbereich von ±0.266° (der Ausdehnung der Sonne [5]) auf der Erde auftreffen, durch den Sonnensimulator reproduziert werden.
Aus diesen Anforderungen sind um 2005 die ersten Konzepte von Konzentratormodul‐
Sonnensimulatoren entstanden [6, 7], welche auf einem einfachen optischen Prinzip beruhen:
Wird eine Punktlichtquelle in der Brennebene einer Optik platziert, erhält man paralleles Licht. Besitzt die Lichtquelle hingegen eine Ausdehnung d, erhält man quasiparalleles Licht welches eine definierte Winkeldivergenz ±α aufweist. Diese ist, wie in Abbildung 1.1 veranschaulicht, trigonometrisch durch
arctan
2 ∙ (1.1)
gegeben. Durch geeignete Wahl des Durchmessers d der Lichtquelle, sowie der Fokuslänge f, kann die geforderte Winkeldivergenz von α = 0.266° erzielt werden. Die Optik kann hierbei, wie in Abbildung 1.1(a) dargestellt, transmissiv oder wie in (b) gezeigt, reflektiv sein.
Abbildung 1.1: Schematische Darstellung der Erzeugung von Licht definierten Kollimationswinkels.
Eine Lichtquelle mit Durchmesser d befindet sich im Fokuspunkt f einer a) transmissiven bzw.
b) reflektiven Optik. Es resultiert eine nahezu parallele Strahlung mit Kollimationswinkel .
3 Basierend auf diesem Prinzip entstanden in den letzten zehn Jahren eine Vielzahl transmissiver [8, 9] und reflektiver [10‐13] Sonnensimulatoren für CPV Anwendungen.
Aufgrund der Schwierigkeit, transmissive Optiken großer Apertur (mehrere m²) und geringer chromatischer Aberration zu fertigen, hat sich das Konzept der reflektiven Sonnensimulatoren hierbei weitestgehend durchgesetzt. Jedoch stellt auch nach etwa zehn Jahren sukzessiver Weiterentwicklung dieser Sonnensimulatoren, das Generieren von Strahlung mit den zuvor genannten Eigenschaften (Großflächigkeit, Homogenität, spektrale Bestrahlungsstärke und Winkelverteilung) noch immer eine große Herausforderung dar.
Beispielsweise liegt die bisher großflächigste Bestrahlung eines CPV Sonnensimulators bei 2.5 m² [13], wohingegen aktuelle Module Oberflächen von bis zu 45 m² aufweisen [14].
(Vollständige)2 Module dieser Größe sind dementsprechend nicht mit Sonnensimulatoren charakterisierbar, womit derzeitig auch keine (direkte)2 Möglichkeit der industriellen Qualitätskontrolle und Leistungsbestimmung besteht.
Bezüglich der Homogenität der Strahlung zeigt sich, dass bereits geringe Fehler der Simulator‐Optik zu einer inhomogenen Bestrahlungsstärkeverteilung führen können. Eine Verwendung von großflächigen Optiken noch höherer Qualität ist jedoch mit sehr hohen Kosten verbunden [15]. Gleichzeitig gibt es bisher noch keine wissenschaftliche Untersuchung, welchen Einfluss diese inhomogene Bestrahlung auf die Messgenauigkeit der CPV Module hat.
Eine der größten Herausforderungen stellt die Generierung einer definierten, (sonnenähnlichen) spektralen Bestrahlungsstärke dar. Um dadurch entstehende Messabweichungen zu minimieren, wird in der PV Zell‐ und Modulcharakterisierung, sowie bei der Charakterisierung von Mehrfachsolarzellen, die sogenannte Spektralkorrektur‐
methode angewandt [16‐18]. Grundvoraussetzung ist hierbei jedoch die Kenntnis der spektralen Empfindlichkeit SR (engl. spectral response) des Moduls bzw. der Zelle. Für CPV Module gibt es bisher kein Verfahren zur Messung der SR, womit diese hoch genaue Korrekturmethode aktuell nicht bei Sonnensimulatoren für CPV Module angewendet werden kann.
Die Winkelverteilung der Sonnensimulatorstrahlung hängt, wie in Abbildung 1.1 gezeigt, direkt mit der Form der Lichtquelle zusammen. Die Form der eingesetzten Hochintensitätsblitzlampen ist jedoch nicht beliebig wählbar und die Winkelverteilung der Sonne somit nicht exakt reproduzierbar. Gleichzeitig ist der Einfluss der Winkelverteilung auf die Messung der I‐V Kennlinien bisher nicht wissenschaftlich erforscht.
Über diese Problematiken hinaus herrscht derzeit auch noch kein Konsens darüber, welche Zielparameter und Toleranzen (bzgl. Homogenität, Spektrum und Winkelverteilung) erreicht werden müssen. Viele der Standards und Normen zur Charakterisierung von CPV Modulen befinden sich bis dato noch in der Entwicklungsphase. Dies liegt nicht zuletzt an den bisher noch geringen Erfahrungswerten bzw. fundierten, wissenschaftlichen Untersuchungen auf diesem Themengebiet.
2 In diesen Fällen werden die Komponenten eines Moduls häufig einzeln charakterisiert. Die Kennlinie des gesamten Moduls wird anschließend mit Hilfe von Korrekturverfahren berechnet. Dies hat dementsprechend große Messunsicherheiten zur Folge.
4 1 Einleitung Ziel der vorgestellten Arbeit war es daher, reflektive Sonnensimulatoren für CPV Anwendungen grundlegend zu untersuchen und weiterzuentwickeln. Kernthemen stellen hierbei die zu erzielenden Idealeigenschaften der Strahlung (Großflächigkeit, Homogenität, spektrale Bestrahlungsstärke und Winkelverteilung) dar.
Hierfür werden in Kapitel 2 zunächst die physikalischen Grundlagen bezüglich natürlicher Sonnenstrahlung, Einfach‐ und Mehrfachsolarzellen, sowie Grundlagen zur Modellierung und Charakterisierung dieser Zellen vorgestellt. Anschließend wird das Konzept der Konzentrator‐Photovoltaik eingeführt und die unterschiedlichen, daraus resultierende CPV Systeme besprochen.
In Kapitel 3 wird der Sonnensimulator für Konzentratormodule am Fraunhofer ISE vorgestellt. Dieser basiert auf dem Konzept der reflektiven Sonnensimulatoren, welche in dieser Arbeit untersucht werden. Nach Beschreibung des Aufbaus, der Funktionsweise sowie des Messablaufs, werden Einfluss‐ und Begrenzungsfaktoren der Idealeigenschaften der Strahlung diskutiert.
Kapitel 4 beschäftigt sich mit der grundlegenden Problematik, dass Module für die Messung der Hellkennlinie bisher vollständig ausgeleuchtet werden mussten. Für die Messung von großflächigen Modulen waren deshalb großflächige Sonnensimulatoren notwendig. Da die Fläche eines CPV Sonnensimulators jedoch nicht beliebig skalierbar ist3, wird in diesem Kapitel eine neuartige Messprozedur vorgestellt, welche die Messung der Hellkennlinie eines (PV oder CPV) Moduls bei nur teilweiser Beleuchtung ermöglicht. Dieses sogenannte SMP Verfahren (stepwise measurement procedure) beruht auf einer schrittweisen Beleuchtung und Messung des Moduls, womit im Anschluss die Hellkennlinie berechnet werden kann.
Somit ist es möglich die Hellkennlinie von Modulen mit weit größerer Apertur als die des Sonnensimulators zu ermitteln.
In Kapitel 5 werden die optischen Eigenschaften von reflektiven CPV Sonnensimulatoren untersucht. Hierfür wird ein Strahlverfolgungsmodell für Sonnensimulatoren für CPV Module vorgestellt. Mit Hilfe dieses Modells werden der Einfluss einer inhomogenen Bestrahlungsstärkeverteilung sowie der Einfluss der Winkelverteilung untersucht.
Kapitel 6 ist durch die Problematik der Generierung einer definierten, spektralen Bestrahlungsstärke motiviert. Um auch bei Sonnensimulatoren für Konzentratormodule die hochgenaue Spektralkorrekturmethode anwenden zu können, wird ein neuartiges Konzept zur Messung der SR von CPV Modulen vorgestellt.
Abschließend werden in Kapitel 7 die wichtigsten Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit zusammengefasst.
3 Bei der verwendeten Beleuchtungseinheit handelt es sich um eine der leistungsstärksten (~ 450 kW) auf dem Markt. Die Entwicklung und Fertigung von leistungsstärkeren Lichtquellen ist mit dementsprechend hohen Kosten verbunden. Die Herstellung von hochgenauen Spiegeln mit entsprechend großer Fläche (über 45 m² am Bsp. des 45 m² Moduls) und Genauigkeit ist in einem sinnvollen finanziellen Rahmen kaum möglich.
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2.1 Eigenschaften des Sonnenlichts 7 Innerhalb der Erdatmosphäre kommt es jedoch zu Streueffekten4, welche zu einer Aufweitung dieser Strahlung führen. Auf der Erdoberfläche führt dies dazu, dass ein nicht zu vernachlässigender Teil des Sonnenlichtes aus Winkelbereichen außerhalb des geometrischen Öffnungswinkels der Sonne auf die Erdoberfläche trifft. Dieser Anteil der Strahlung wird Zirkumsolarstrahlung genannt5. Als Maß hierfür wird der CSR‐Wert (engl.
circum solar radiation) verwendet. Dieser wird durch die integrale Intensität innerhalb (Direktanteil: ISonne) und außerhalb (Zirkumsolaranteil: IZS) der Sonnenscheibe ausgedrückt [23]:
. (2.2)
Der Zirkumsolaranteil ist jedoch kein konstanter Faktor, sondern variiert mit der Jahres‐ und Tageszeit, dem Klima und der Wellenlänge. Abbildung 2.2 zeigt für unterschiedliche CSR‐Werte die winkelabhängige Intensitätsverteilung der Sonne, welche von A. Neumann et al. gemessen wurden [23]. Zusätzlich ist das sogenannte mittlere Intensitätsprofil gezeigt, welches den Jahresdurchschnitt der winkelabhängigen Intensitätsverteilung der Sonne repräsentiert. Dieses weist einen CSR‐Wert von 7.6 auf [23] und wird (soweit nicht anders gekennzeichnet) in dieser Arbeit standardmäßig als Intensitätsprofil der Sonne verwendet.
Abbildung 2.2: Relative Intensitätsverteilungen der Sonne in Abhängigkeit des Winkels zur Sonnenmitte. Die Verteilungen sind für unterschiedliche Zirkumsolarwerte (CSR) dargestellt. Die Verteilung CSRMittel entspricht dem Jahresmittel und wird für die Modellierungen in dieser Arbeit angewandt. Zusätzlich ist der geometrische Öffnungswinkel der Sonne (gestrichelte, vertikale Linie) gezeigt. Verteilungen nach Neumann et al. [23].
4 Hierbei handelt es sich hauptsächlich um Mie‐Streuung, welche durch Streuung an Molekülen, Tröpfchen und Staubpartikeln mit einem Durchmesser, der vergleichbar mit der Wellenlänge der Strahlung ist, hervorgerufen wird.
5 In der Literatur herrscht Uneinigkeit über den Winkel, bei welchem der Zirkumsolarbereich endet.
Neumann et al. verwenden einen Halbwinkel von 1.7° [23], in ASTM G173–03 ist 2.9° beschrieben [22].
0.00 0.50 1.00 1.50
1E-3 0.01 0.1 1
Zirkumsolar Direkt
Relative Intensität [a.u.]
Winkel zur Sonnenmitte [°]
Intensitätsverteilung der Sonne nach Neumann et al. [23]:
CSR 0 CSR 5 CSR 10 CSR 20 CSR 30 CSRMittel 0.266°
8
2.2
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2.2.1
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ternen Vorlag
1000 150 P n erm.
luste Transmi
Wellenlän Si-Bandlücke
hen die Konv ysikalischen hrieben, wo tzberger, B d S. Hegedu uchtet, welch
en und Mo
rfachsolar
st eine well hängig ist.
Silicium‐Sola ren Energie
Energie um enlänge) ist ansmissions rer Wellenl ktrische En er als die En s wird deme rlustmechan
zu nutzen en zu sogen spiel einer nzips ermö des Sonnenl
Bestrahlungs hsolarzelle a
50In0.50P (1.87 gen (Daten be
00 2000 Photovoltaisch nutzbar
issionsverluste AM1.
Si (1.
nge [nm]
version der Zusammen obei sich d B. Voß und us [26] und
he im Zusam dulen stehe
rzellen
enlängenab Dies ist in arzelle darg e (d.h. klein mgewandelt
t die Solarze sverlusten länge) als nergie um nergie der B entsprechen nismen zu m
n, besteht nannten Meh
gitterangep öglicht mitt lichts in elek b)
sstärke des A aus Silicium.
7 eV), Ga0.99In erechnet mit E
2500 5d 12 eV)
1 1 1
Bestrahlungsstärke [W/m²/µm]
Energie des nhänge und
die anschlie d J. Knoblo M. A. Gre mmenhang en und im w
hängige Eig n Abbildung gestellt. Hie nerer Welle
werden kön elle hingege
spricht. Jed die der B mgewandelt.
andlücke ist d Thermalis minimieren
in der Sta hrfachsolarz passten Drei tlerweile Vi ktrische Ene
AM1.5d Spektr Rechts: Teil
0.01As (1.41 eV EtaOpt [28]).
500 0 250 500 750 000 250 500
s Lichtes in Eigenschaft eßenden Ab och [24], A en [27] rich
mit der Cha weiteren Ve
genschaft, w g 2.3(a) am erbei zeigt
nlänge) als nnen. Für P en optisch tr doch wird Bandlücke So geht t, in Form vo sierungsverl
und somit apelung me zellen. Eine
ifachsolarze erfachsolarz ergie umwan
rums, sowie d lzellen einer V) und Ge (0.
1000 15
Wellenlä
2 Gru
elektrische ften sind in bschnitte n A. Luque u hten. Im Fo
arakterisier erlauf diese
welche vom Beispiel e sich, dass die der Ba Photonen ge
ransparent, auch bei P nicht die t der Ant von Wärme v
lust genann die Leistun ehrerer So solche Stap elle veransc zellen herz ndeln könne
die je Zelle nu r gitterangep .66 eV). Darst
00 2000
AM1.5d GaInP (1.87 GaInAs (1.4 Ge (0.66 eV
nge [nm]
undlagen
Energie.
diverser ach den und V.M.
olgenden rung und er Arbeit
Typ und iner mit lediglich andlücke eringerer weshalb Photonen gesamte teil der verloren.
nt.
ngsdichte larzellen elung ist haulicht.
zustellen, en [1].
utzbare passten tellung
2500 7 eV) 41 eV) V)
2.2 S Bei d Konz Mate hierz gitter Zeitp Eine drei welch der G (größ
2.2.2
Die K gige stellt Verh
Eine Photo welch EQEs gitter
olarzellen der Realisie zepte, welch erialien, den zu [26]). D
rangepasste punkt den St solche Meh Halbleiters he mit Hilfe Größe ihrer ßte Bandlüc
Externe 2
Konversion v Eigenschaft t die extern
ältnis von :
messtechni ostromdicht he gleichze s der Ob
rangepasste
Abbil (Waf Oberz Unter
erung diese he sich be n Wachstum Die vorlieg en Mehrfach
tand der Te hrfachsolarz schichten G e von Tunne Bandlücken ke), Mittel‐
e Quantene
von Licht is t. Die wichti ne Quanten erzeugten L
isch geeign te , itig die spe ber‐ (Quad en Dreifachs
ldung 2.4: Ext fer 2404‐8). U zelle 14.1 mA rzelle 22.1 mA 0250 20 40 60 80 100
Externe Quanteneffizienz, EQE [%]
er Mehrfach eispielsweis msprozessen gende Arbe hsolarzellen chnik in der zelle besteht a0.50In0.50P ldioden [29 n und somit und Unterze
effizienz un
t, wie in Ab gste Kenngr effizienz Ladungsträg
, /
/ etere Form
und spektr ektrale Emp drate), Mit solarzelle (W
terne Quante Unter dem AM
A/cm², die G A/cm². Messu
0 500 7
hsolarzellen e in der A n und den A
eit konzen n aus III‐V r industriell t, wie berei
(1.87 eV), G , 30] seriell ihrer Lage i elle (kleinst
nd Photost
bildung 2.3 röße zur Be dar.
gern
1 ,
m stellt die V ralen Bestr pfindlichkeit ttel‐ (Kreis Wafer 2404‐
eneffizienz ein M1.5d Referen Ga0.99In0.01A ung: CalLab, F 750 1000
Wellenlä Gitter Dreifa
n gibt es e Anzahl der Anwendungs
triert sich Halbleiterm len Fertigun
ts in Abbild Ga0.99In0.01As miteinande im Stapel w te Bandlücke
trom einer
ersichtlich, eschreibung Diese besc zur Anzah
1239 Verwendun ahlungsstär
t de
se) und 8).
ner gitterang nzspektrum ge As‐Mittelzelle Fraunhofer ISE
1250 150 nge [nm]
rangepasste achsolarzelle
Oberzelle, i Mittelzelle,i Unterzelle,i
ine Vielzah Teilzeilen, sgebieten u auf die materialien, ng von CPV dung 2.3(b) s (1.41 eV) er verknüpft erden diese e) bezeichne
r Solarzelle
eine stark w g der Wellen chreibt für
l der einge
.841
g der welle rke da
finiert. Abb Unterzelle
epassten Dre eneriert die G
14.7 mA/cm E.
00 1750 2 e:
= 1
= 2
= 3
2404
hl unterschi , der verw nterscheide Untersuchu die zum a Modulen da dargestellt, und Ge ( t sind. Entsp e Teilzellen a
et.
e
wellenlänge nlängenabhä jede Teilze estrahlten P
nm W A . enlängenabh
ar (siehe G bildung 2.4 z (Dreiecke
eifachsolarzel Ga0.50In0.50P m² und die Ge
2000
4-8
9 iedlicher wendeten en (siehe ung von aktuellen arstellen.
aus den 0.66 eV), prechend als Ober‐
enabhän‐
ängigkeit lle i das Photonen
(2.3) hängigen Gl. (2.3)), zeigt die ) einer
le P‐
e‐
10 Gleic umge
Bei Bestr beisp einem Photo und mono Teilz diese Strom
2.2.3
Die I kann wie Photo paral
Analo durch
besch jewe
chung (2.3) eschrieben w
Kenntnis d rahlungsstä pielsweise d
m AM1.5d ostromdicht die Ge‐Un olithischen zellen ist de
er gitterang m gegeben (J
Zweidio 3
I‐V Kennlini n durch das s
in Abbildu ostromdicht llelen Wider
Abbil einer Chara Rekom Spann
og zu [24, h
,
hreiben. , iligen Dunk
kann über werden:
,
der rken die die in Abb d Spektru te von JPh,1
nterzelle ei Aufbaus un er Photostr gepassten D (JPh,Zelle = 14.
odenmode
e einer Ein sogenannte ng 2.5 durc te , der C rstand un
ldung 2.5: Ers r Mehrfachsol akteristik w mbinationsst nungsabfall a
26, 27] läss
, ex
, und kelsättigung
JPh
r das Welle
∙ bzw.
Photostrom bildung 2.4
m beleuch
= 14.1 mA/
ne Photost nd der dam rom (unter reifachsolar 1 mA/cm²).
ll einer So
fachsolarzel Zweidioden ch das elek Charakteristi nd ausge
satzschaltbild larzelle nach wird hierbe romdichten JN
an dem Serien
st sich die
xp
, ,
, , ste
gsstromdich JN,i
enlängenint
lässt mdichte JPh
dargestellte htet, gene /cm², die G
tromdichte mit verbunde
Vernachläs rzelle jedoc
larzelle
lle (bzw. de nmodell gen ktrische Ers
ik zweier Di edrückt.
d einer Einfac dem Zweidio ei durch d JN,i und JD,i , ein nwiderstand R
Strom‐Span
1
ellen hierbe hten ,
RP JD,i
tervall
∙
sich hierd
h,i jeder T e gitterange eriert die
a0.99In0.01As‐
von JPh,3 = enen seriell ssigung mög
h durch de
er i‐ten Teil nähert werd satzschaltbi ioden , un
chsolarzelle b odenmodell. D die Photost
nem parallele
RS nachgebild
nnungschara
, exp
i die Rekom und ,
RS
P
in eine int
∙ . durch für b Teilzelle i epasste Dre
Ga0.50In0.5
‐Mittelzelle
= 22.1 mA/c en Verschal glicher para n der Teilz
zelle einer en. Eine Sola
ld veransch nd , , sowi
bzw. der i‐ten Die Strom‐Sp romdichte J en Leckstrom det.
akteristik
p
, ,
mbinationsst dar. ,
S
J
2 Gru tegrale Dar
beliebige s berechnen eifachsolarz
50P‐Oberzell JPh,2 = 14.7 cm². Aufgru
ltung der e alleler Leck elle mit ger
Mehrfachso arzelle wird haulicht, du ie dem serie
n Teilzelle pannungs‐
JPh, den m und dem
einer S
1
tromdichten , beschr
undlagen rstellung
(2.4) spektrale n. Wird zelle mit le eine mA/cm² und des inzelnen kströme) ringstem
olarzelle) d hierbei, urch die ellen und
olarzelle
(2.5) n mit den
reibt die
2.2 S Reko
,
Zusät nicht Möch jede werd die S gitter Kont gerad
2.2.4
Die I zeigt einer Abbil
Diese Photo die L welch bezei
olarzellen ombinations
, die Rek tzlich gehen t zwingend m hte man die
Teilzelle i d den. Die Stro
Spannung d rangepasste taktierung in
de bei hohen
I‐V Kenn 4
I‐V Kennlini t die Hellken r gitterangep
ldung 2.4).
Abbildu großen AM1.5d IMPP un
e Kennlinie ovoltaik von Leerlaufspan
her sich d ichnet.
sstromdichte kombination n die sogena
mit n1 = 1 un e I‐V Kennlin durch Gl. (2 omdichte ist durch die S en Dreifachs
n der Regel n Stromdich
nlinie und
ie einer bel nnlinie (schw
passten Dre
ung 2.6: Hellk n, gitterangep d Strahlung. Z
d VMPP gezeig
en weisen n besondere nnung VOC (I
er PMPP be 00.0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
2404-8
IM
Strom [mA]
ISC
e, welche im nsstromdich annten Ideal
nd n2 = 2 gew nie einer gi 2.5) modelli t in diesem F Summe alle solarzellen w
durch die V hten in der M
charakteri
leuchteten warz, durch eifachsolarze
kennlinie und passten Dreif Zusätzlich sin gt.
mehrere em Interess I = 0 A) und efindet, wir
0.5 1
pp C
m quasineut hte in der R litätsfaktore wählt werde itterangepas iert und ans Fall durch d er Teilzellsp wird aufgrun Verwendung Modellierun
istische Pa
Solarzelle w hgezogen) u
elle bei Bele
d daraus bere fachsolarzelle nd die charakt
charakteris se sind. Dies der Punkt m rd mit VMPP
1.0 1.5
Hellkennlin
Spannung [ Leistung
tralen Bere Raumladung en n1 und n2
en.
ssten Dreifa schließend die strombeg
pannungen nd des mon g von Tunn g berücksich
arameter e
wird Hellke nd die Leist euchtung mi
echnete Leistu e (Wafer 2404 teristischen I‐
stische Par se sind der maximaler L
P, der dazu 2.0
PM
VMpp nie
[V]
ich des p‐n gszone (sieh ein, welche achsolarzelle
seriell mite grenzende T
∑ g olithischen eldioden re htigt werden
einer Solarz
nnlinie gen tungskennlin
it AM1.5d St
ungskennlinie 4‐8) bei Bele
‐V Parameter
rameter au Kurzschluss Leistung PMP
ugehörige S 2.5
VOC
Mpp
0 5 1 1 2 2 3 3
‐Übergangs he hierzu au e üblicherwe
e beschreib einander ver
Teilzelle gegeben. In
Aufbaus die ealisiert [31]
n müssen [3
zelle
nannt. Abbil nie (rot, ges trahlung (E
e einer 1 cm² euchtung mit r ISC, VOC, PMPP,
uf, welche sstrom ISC (
PP. Die Spann Stromwert 0
5 0 5 20 25 30 35
Leistung [mW]
11 auftritt;
uch [26]).
eise aber en, kann rschaltet Min , n realen, e serielle ], welche 32].
dung 2.6 strichelt) QE siehe
² t
in der (U = 0 V), nung, bei mit IMPP
12 2 Grundlagen Mit diesen Parametern lässt sich zum einen der Füllfaktor FF
∙
∙ , (2.6)
und bei Kenntnis der Solarzellfläche A und der eingestrahlten Bestrahlungsstärke G, der Wirkungsgrad
∙ (2.7)
bestimmen.
Diese Definitionen gelten analog auch für CPV Module, wobei bei diesen die durch die Primäroptik definierte Aperturfläche in die Berechnung des Wirkungsgrads eingeht.
2.3 K
2.3
komm V.M.
2.3.1
Die H Mehr die Z die S Zellw gena Anwe 43.4%
Der ausge Solar
Es m Defin stark Bei d unter Parab Spieg Über Andr Der w Photo vorli
2.3.2
Die k gena Modu Samm
6 Bei womi
7 Aufg
8 Hoc
Konzentrator
Konzent
Im Folgen menden Ab
Andreev [25
Konzent 1
Herstellungs rfachsolarze Zellgröße ve Solarzellen z wirkungsgra
nnt und im endung die
% [1].
Grad der K edrückt. Di rzelle AZell [3
muss jedoch nition hande k unterschei
den Konzen rschiedliche bolrinnenkr gelsystemen rblick wird reev [25] ver
weit größte ovoltaik w egende Arbe
CPV Mo 2
kleinste Einh u einem Paa uls ist in meloptik wi
einer idealen it die elektris grund der ger
hrechnung au
r‐Photovolt
trator‐Ph
nden wird d bschnitte r 5] und A. Ra
tration des
sprozesse u ellen sind se erringert un zu fokussier ade erzielt w
m Folgende eses Prinzip Konzentratio ese beschre 33]:
h hervorgeh elt. Lokal kan
den.
ntratoroptik er Systeme.
raftwerken, n bis zu N an dieser rwiesen.
Anteil von ird durch eit konzentr
odule
heit eines C ar besteht, w
Abbildun ird hierbei n Solarzelle st sche Leistung ringen Fläche us [35].
aik
hotovolta
das Spezialg ichten sich abl [33].
s Sonnenli
nd Halbleite ehr kostenin
d vergleichs ren. Ein wei werden kön en mit CPV ps ermöglic on der Stra eibt das Ve
hoben werd nn sich die K ken gibt es
Diese erstr Turmkra Nachführeinh
Stelle auf d über 90%8 Systeme m riert). Diese
CPV Moduls wird als Mon
g 2.7(a) ve das Sonnen
teigt die Leer g der Solarzel e wird das Mo
aik
gebiet der K h hierbei n
chts
ermaterialie ntensiv. Zur
sweise güns iterer Vorte nnen6. Diese V (engl. con
cht (Sub‐)7 ahlung wird erhältnis de
. den, dass es Konzentrati unterschied recken sich aftwerken
heiten mit die Bücher der bisher mit CPV M e werden im
stellt ein O no‐Modul be eranschaulic nlicht auf ei
rlaufspannun lle überpropo odul lediglich
Konzentrato nach der L
en der zuvo Reduktion d stige Optike eil der Licht es Prinzip w ncentrator
Modulwirku d über die er Apertur
s sich hierb ion der Inten
dlichste An (um nur e mit Zen CPV Modu von A. Rab installierten odulen abg Folgenden
ptik‐Zell‐Pa ezeichnet. D cht. Am B ine Solarzel
ng logarithmi ortional mit d h Submodul g
or‐Photovolt Literatur v
or vorgestell der Gesamtk en verwende tkonzentrati wird Konzen photovoltai ungsgrade v
geometrisch der Optik A
bei um eine nsität auf de sätze und s inige wichti ntralreceiver ulen. Für e bl [33] und
n Leistung in gedeckt (au
genauer vor
aar dar. Ein Das Prinzip e
Beispiel ei lle konzentr
sch mit der L der Lichtleistu genannt.
taik vorgest von A. Luq
lten hochef kosten wird
et, um das L tion ist, dass ntrator‐Phot ics) abgekü von aktuel he Konzent AOpt zur Flä
e rein geom er Solarzelle
somit eine ige zu nenn rn, nachg
einen umfa A. Luque u n der Konze uf welche
rgestellt.
Modul, wel eines solche iner transm riert. Im Fa
Lichtkonzent ung zunimmt
13
tellt. Die que und
ffizienten d deshalb Licht auf s höhere tovoltaik ürzt. Die l bis zu tration c äche der
(2.8) metrische e hiervon Vielzahl nen) von eführten assenden und V.M.
entrator‐
sich die
ches aus en Mono‐
missiven alle einer
ration an, t [34].
14 2 Grundlagen abbildenden Optik bleibt die in (b) dargestellte Winkelverteilung der Sonne erhalten, womit dieselbe Intensitätsverteilung in der Bildebene der Optik im Abstand b generiert wird.
Aufgrund des großen Abstandes der Sonne (g >> f, b) kann mit Hilfe der Abbildungsgleichung für dünne Linsen (in der paraxialen Näherung) [36]
1/ 1/ 1/ (2.9)
gefolgert werden, dass die Bildweite b näherungsweise gleich der Fokuslänge f der Optik ist.
In einem Mono‐Modul wird die Solarzelle dementsprechend in der Brennebene der Optik platziert9.
a) b)
Abbildung 2.7: Funktionsweise eines CPV Moduls: (a) Die Intensitätsverteilung der Sonne, welche in (b) dargestellt ist, wird mit Hilfe der Konzentratoroptik im Abstand b abgebildet. Aufgrund der großen Entfernung der Sonne, gilt nach Gl. (2.9) f ≈ b. Das in (b) dargestellte Intensitätsprofil wird dementsprechend in der Brennebene des Konzentrators abgebildet.
Die Aneinanderreihung mehrerer dieser Optik‐Zell‐Paare wird Modul genannt. Zur Abführung der elektrischen Leistung werden die Solarzellen elektrisch miteinander verbunden10. Bei einer seriellen Verbindung der Zellen werden diese üblicherweise jeweils parallel mit Bypassdioden verbunden. Dies ermöglicht im Falle der Abschattung eines Optik‐
Zell‐Paares einerseits, dass trotz der abgeschatteten (d.h. stromlosen) Zelle ein Gesamtstrom fließt und das Modul somit elektrische Leistung generiert. Andererseits wird die abgeschattete Zelle hierdurch vor einer möglichen Zerstörung geschützt, welche aufgrund der hohen Spannung aller anderer Zellen anliegt [39].
Zur Stromgewinnung wird Mono‐Modulen kein größerer Nutzen zugeschrieben. Diese bieten jedoch den Vorteil, das System eines kompletten Moduls z.T. drastisch zu reduzieren. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit einige Untersuchungen an Mono‐Modulen durchgeführt. In diesen Fällen sind die Ergebnisse jedoch ohne weiteres auf Module mit mehreren Optik‐Zell‐Paaren übertragbar.
9 Bei manchen Modulen kann es aus Effizienzgründen jedoch auch von Vorteil sein, die Solarzellen außerhalb der fokalen Ebene zu platzieren [37].
10 Die Art der Verschaltung wirkt sich hierbei auf die Leistung des Moduls aus. Für eine ausführliche Analyse unterschiedlicher Verschaltungsschemata wird auf [38] von M. Steiner et al. verwiesen.
0.0 0.5 1.0
0.01 0.1 1
Relative Intensität [a.u.]
Winkel zur Sonnenmitte, [°]
Winkelverteilung der Sonne, CSRMittel nach Neumann et al. [23]
2.3 K
2.3.3
In C refra Das a der C ehem eines geleit Licht ange abgel diese ausfü die F M. V.
Den mit F Modu Unte eine Nach Modu durch
Abbild SolFo Fresn
11 Bei und Absch
12 Be einen Herst
13 T. D Fresn gerin
Konzentrator
Konzent 3
PV Module aktive Optike
am weiteste Cassegrain‐
maligen Unte s parabolisc tet, der sich t auf die S
bracht ist.
leitet. Syste e häufig th ührlichere B Fachliteratu
Pérez [40]
weit größer Fresnellinse
ule begrün rnehmens S Nachführu hführeinheit
ule mit Fre hgesetzt und
dung 2.8: Bei ocus mit Ca nellinsenoptik
i sogenannte somit im hattungsverlu
i sogenannte n guten Wärm
tellung sind d D. Hornung s nel‐Optiken w
gerer Anzahl
r‐Photovolt
tratoroptik
en kommen en wie Spieg en verbreite Optiken. Al ernehmens chen Primä h auf der Inn olarzelle, w Hierdurch me mit nur hermische11 Beschreibun r von A. Lu und S. Gami ren Anteil d n dar [42]. D ndet [43]13. Soitec Solar ung des V ten befestigt
esnel‐Optike d werden im
ispiele reflekt assegrain‐Op ken. Quellen: [ n On‐Axis‐Sy optischen uste kann ein en Off‐Axis‐S metransport diese Formen stellt in [43]
weisen demn l von Einzelte
aik
ken
n zur Konz gel oder Lin ete Konzept s Beispiel h
SolFocus da ärspiegels a
nenseite des welche auf
wird die ü einem Spie oder her ng der spieg uque und V isch [41] ver der CPV Mo
Dies liegt in Abbildung r welche au
erlaufs der t.
en haben s m Folgenden
tiver und refr tiken. Recht [44], Soitec So
ystemen befin Weg des n Kühlkörper ystemen wir ermöglicht u n jedoch meist ] eine detaill nach eine h eilen (geringe
zentration d sen zur Anw t der spiege hierfür sind argestellt. B auf einen k
s Deckglases einer Wärm überschüssig
egel finden k rstellungsbe gelbasierten V.M. Andree
rwiesen.
dule stellen erster Linie g 2.8 recht us fresnellin r Sonne s sich in der n nochmals a
fraktiver CPV ts: CPV Mo olar.
ndet sich die s Lichtes.
somit nicht b rd versucht, und gleichzei
t sehr aufwän lierte Analys höhere optisc ere Herstellun
des Lichts wendung.
elbasierten M d in Abbild Bei diesem T kleineren hy
s befindet. D mesenke im ge Wärme kommerziel
dingte12 Pr n Systeme w ev [25], sow n Systeme m e in den ger
ts zeigt m nsenbasierte
ind diese r kommerz ausführliche
V Module. Lin odule des U
e Solarzellen Aufgrund beliebig dime
das Licht au itig eine geri ndig.
se unterschie che Effizienz ngskosten) a
üblicherwe Module beru
ung 2.8 link Typ wird So yperbolische Dieser wiede m Zentrum
auf die Rüc l hingegen k robleme au wird an dies wie die aktu
mit Linsenop ingeren Her mehrere C en CPV Mod (wie alle iellen Nutz er erläutert.
ks: CPV Mod Unternehmen
auf der Inne der dadur ensioniert we uf eine Fläch
inge Abschat edlicher Kon z bei höhere
uf.
eise reflekti uht auf dem ks CPV Mod onnenlicht m en Sekundä erum reflek
des Primär ckseite des kaum Beach ufweisen. F ser Stelle jed uellen Arbe ptiken, im sp
rstellungsko CPV System dulen beste
CPV Modu zung weites
.
dule des Unte ns Soitec S
enseite des D rch hervorg erden.
e zu bündeln ttung aufwei nzentratoropt er Formtoler
15
ive oder m Prinzip dule des mit Hilfe ärspiegel ktiert das rspiegels Moduls htung, da Für eine doch auf iten von peziellen osten der me des hen. Für ule) auf stgehend
rnehmens Solar mit
eckglases gerufenen n, welche st. In der tiken vor.
ranz und
16
2.3.4
Bei C die si ein M Bei (Poly Insta Typ a Linse Temp Degr Einsa SOG die F werd gebro bildu abge Konv In ei befin werd eine einge eine Solar chrom werd Temp
Abbild Sonne konze der S Optik
CPV Mo 4
CPV Modulen ich in ihrer Modul mit pl Fresnel‐Op ymethylmet abilität zusät auch Silikon en weisen
peraturverh adationsbes atz SOG Opt Optiken ist Fresnellstru den an der ochen und a ung 2.9(a)).
führt werde vektionseffe
nigen Modu nden sich d den. Die in A
zusätzliche esetzt [48].
Erhöhung rzellen ver matische Ab den, minimie
peraturverh
dung 2.9: Aus enlicht wird entriert. Diese Solarzelle Sek ken unterschie
odule mit F
n mit Fresn prinzipielle lankonvexer ptiken wer thacrylat) e
tzlich ein Tr n auf Glas Op
SOG Optike halten auf [
ständigkeit tiken durch
in Abbildun kturen auf r Innenseite
auf die Sola Da ein Gro en muss, ist
kte ermögli ulen ist es v direkt oberh Abbildung 2
Sammlung Refraktive
der Konze rwendet. H berration [4 eren [52]. E haltens [53]
sschnitte von an der Fre e ist zur Wär kundäroptiken eden wird.
Fresnel‐Op
el‐Optiken g n Funktions r Fresnellins rden üblic eingesetzt. S rägermateri ptik (SOG, e en eine hö [45]. Ein w
[25] gegenü hgesetzt hab
ng 2.9 veran der Innens e der Fresn
rzelle, welc oßteil der S
die Zelle au chen auf die von Vorteil halb der So .9(b) veran der Zirkum Sekundärop entration un Hierdurch l
49] und/ode in weiterer
n drei CPV Mo esnellinsenstr rmeabfuhr au n angebrach
ptiken
gibt es erne sweise jedoc se vorgestel cherweise Silikonlinsen ial. Hierfür w engl. silicone öhere optisc weiterer Vo über PMMA ben. Der sch nschaulicht.
seite des De nellinsenstr
he sich im F Strahlungsle uf einer Wär
ese Weise ei sogenannte olarzellen u nschaulichte msolarstrahl
ptiken (sieh nd Homoge assen sich er inhomog Vorteil von
Modulen mit F ruktur gebro uf einer Wärm
t, bei welche
eut eine Viel ch kaum unt llt.
die Mater n benötigen wird meisten
e on glas) g che Effizien orteil der A Linsen, w hematische
Zum Schutz eckglases an ruktur an d Fokuspunkt eistung in F mesenke an ine passive K e Sekundäro
nd können n reflektive lung und Er he Abbildun enisierung h leistungss
gene Intensi Sekundäro
Fresnel‐Optike ochen und a mesenke ange en zwischen
zahl untersc terscheiden rialien Sili n aufgrund i ns Glas eing enannt wird nz, jedoch
SOG Optik womit sich Aufbau ein z vor Umwe ngebracht.
den sogena t befindet, g Form von th ngebracht. W Kühlung der optiken einz in zwei Ka n Sekundär rhöhung des ng 2.9(c)) w
des Intensi senkende E
itätsprofile ptiken ist di
en (nicht maß auf eine Sola ebracht. Teilw (b) reflektive
2 Gru
chiedlicher n. Im Folgend
ikon oder ihrer mecha gesetzt wom
d. Gegenübe ein ausgep ken ist die im komm nes CPV Mo eltbedingun Die Sonnen annten Wir gebündelt (s hermischer Wärmestrahl r Zelle [46].
zusetzen [47 ategorien u roptiken we s Akzeptanz werden hing
itätsprofils Effekte, die
[50, 51] ve ie Verbesse
ßstabsgetreu arzelle im A weise werden en und (c) re
undlagen
Ansätze, den wird PMMA anischen mit dieser er PMMA prägteres höhere erziellen duls mit gen sind nstrahlen kflanken siehe Ab‐
Energie lung und 7]. Diese unterteilt erden für zwinkels egen für auf den e durch erursacht rung des
u). (a) Das Abstand f oberhalb efraktiven
