Solarzellen Solarzellen
Wolfgang Scheibenzuber,
Wolfgang Scheibenzuber,
Christian Müller
Christian Müller
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Überblick Überblick
1. 1. Einleitung Einleitung
- Historie - Historie
- Entwicklung - Entwicklung
- Sonneneinstrahlung - Sonneneinstrahlung
2. 2. Festkörperphysikalische Grundlagen Festkörperphysikalische 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-Basis Solarzellen auf Silizium-Basis
- Konventionelle Solarzellen
- Konventionelle Solarzellen
- Dünnschicht-Solarzellen
- Dünnschicht-Solarzellen
Einleitung - Historie Einleitung - Historie
1839: Entdeckung des photovoltaischen Effekts durch A.E. 1839: Entdeckung des photovoltaischen Effekts durch A.E.
Becquerel Becquerel
1873: Photoleitfähigkeit von Selen 1873: Photoleitfähigkeit von Selen
1883: Erste Photozelle aus Selen 1883: Erste Photozelle aus Selen
1899: Nachweis des Photoeffekts durch Lennard 1899: Nachweis des Photoeffekts durch Lennard
1905: Erklärung durch Einstein mittels Quantentheorie 1905: Erklärung durch Einstein mittels Quantentheorie
1947: Entdeckung des p-n-Übergangs durch Shockley, 1947: Entdeckung des p-n-Übergangs durch Shockley, Brattain, Bardeen
Brattain, 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 I 1958: 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 Energieversorgung
terrestrische Energieversorgung
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Einleitung - Entwicklung Einleitung - 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% MWp
durchschnittliche Leistung: ~20% MWp
Einleitung - Kosten Einleitung - Kosten
Wirtschaftliche Energieversorgung erreicht bei ~ 2 Wirtschaftliche Energieversorgung erreicht bei ~ 2 cent/kWh, entspricht 0,40 US$/Wp
cent/kWh, entspricht 0,40 US$/Wp
BOS: balance-of-system costs, Kosten für nicht- BOS: balance-of-system costs, Kosten für nicht- photovoltaische Teile der Solaranlage
photovoltaische Teile der Solaranlage
Shockley-Queisser Limit: Grenze für Wirkungsgrad bei Shockley-Queisser Limit: Grenze für Wirkungsgrad bei thermischer Relaxation
thermischer Relaxation
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Einleitung - Sonneneinstrahlung Einleitung - Sonneneinstrahlung
Gesamte eingestrahlte Leistung auf Erde: 170 000 TW Gesamte 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“)
Einleitung - Funktionsprinzip Einleitung - Funktionsprinzip
1.Lichtabsorbtion 1.Lichtabsorbtion 2.Anregung
2.Anregung
3.Bewegung der Ladungsträger 3.Bewegung der Ladungsträger 4.Keine Rekombination
4.Keine Rekombination 5.Ladungstrennung
5.Ladungstrennung 6.Elekroden
6.Elekroden
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Überblick Überblick
1. 1. Einleitung Einleitung
- Historie - Historie
- Entwicklung - Entwicklung
- Sonneneinstrahlung - Sonneneinstrahlung
2. 2. Festkörperphysikalische Grundlagen Festkörperphysikalische 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-Basis Solarzellen auf Silizium-Basis
- Konventionelle Solarzellen
- Konventionelle Solarzellen
- Dünnschicht-Solarzellen
- Dünnschicht-Solarzellen
Grundlagen - Bandstruktur Grundlagen - Bandstruktur
Anordnung der Atome zu Anordnung der Atome zu
periodischem Kristallgitter periodischem Kristallgitter
(hier: Silizium) (hier: Silizium)
Überlapp der Überlapp der
Elektronenorbitale Elektronenorbitale
Ausbildung von Energie-
Ausbildung von Energie-
Bändern, Bandlücken
Bändern, Bandlücken
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Grundlagen - Bandstruktur Grundlagen - Bandstruktur
Bandstruktur gibt Energie-Impuls-Beziehung für Elektronen Bandstruktur gibt Energie-Impuls-Beziehung für Elektronen
Elektronen sind Fermionen Elektronen sind Fermionen Jeder Energie-Zustand nur Jeder Energie-Zustand nur einfach besetzbar
einfach besetzbar
Volle und leere Bänder tragen nichts zum Stromfluss bei Volle und leere Bänder tragen nichts zum Stromfluss bei
Grundlagen - Bandstruktur Grundlagen - Bandstruktur
Beispiele:
Beispiele:
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Grundlagen - Halbleiter Grundlagen - Halbleiter
Metall: oberstes Band nur teilweise besetzt Metall: oberstes Band nur teilweise besetzt
Leitfähigkeit groß Leitfähigkeit groß
Halbleiter/Isolator: Bänder, die Elektronen enthalten sind Halbleiter/Isolator: Bänder, die Elektronen enthalten sind vollständig besetzt
vollständig besetzt
Leitfähigkeit gering Leitfähigkeit gering
Unterschied: Größe der Bandlücke, bei Halbleitern Unterschied: Größe der Bandlücke, bei Halbleitern thermische Anregung von Ladungsträgern möglich thermische Anregung von Ladungsträgern möglich
E E
FF: Chemisches Potential : Chemisches Potential
Grundlagen - Halbleiter Grundlagen - Halbleiter
Dotierung: Einbringen von Fremdatomen zur Erhöhung der Dotierung: Einbringen von Fremdatomen zur Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration
Ladungsträgerkonzentration
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 Loch Loch
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Grundlagen – Absorbtion von Licht Grundlagen – Absorbtion von Licht
Absorbtion eines Photons Absorbtion eines Photons möglich, wenn
möglich, wenn ℏ ℏ > E > E
gg
Photonen geringerer Photonen geringerer Energie werden
Energie werden transmittiert
transmittiert
Elektron wird aus Elektron wird aus Valenzband in Valenzband in
Leitungsband angeregt Leitungsband angeregt
Elektron-Loch-Paar Elektron-Loch-Paar
Umgekehrter Effekt: Umgekehrter Effekt:
Rekombination
Rekombination
Grundlagen – Absorbtion von Licht Grundlagen – Absorbtion von Licht
Unterscheide direkte und indirekte Übergänge:
Unterscheide direkte und indirekte Übergänge:
-
direkt: Ohne Impulsübertrag, hohe Wahrscheinlichkeit direkt: Ohne Impulsübertrag, hohe Wahrscheinlichkeit
-
indirekt: Impulsübertrag durch Phonon, geringe indirekt: Impulsübertrag durch Phonon, geringe Wahrscheinlichkeit
Wahrscheinlichkeit
Direkter Übergang
Direkter Übergang Indirekter Übergang Indirekter Übergang
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Grundlagen – Absorbtion von Licht Grundlagen – Absorbtion von Licht
Absorbtion im Festkörper folgt exponentiellem Gesetz Absorbtion im Festkörper folgt exponentiellem Gesetz
I = I
I = I
00e e
--xx
Absorbtionskonstante Absorbtionskonstante ist abhängig von Photon- ist abhängig von Photon- Energie und Art des Übergangs
Energie und Art des Übergangs
Grundlagen – p-n-Übergang Grundlagen – p-n-Übergang
Kontaktiere p-dotierte mit n-dotierter Schicht Kontaktiere p-dotierte mit n-dotierter Schicht
Chemisches Potential unterschiedlich auf beiden Seiten Chemisches Potential unterschiedlich auf beiden Seiten
Ladungsträgerdiffusion Ladungsträgerdiffusion
Raumladungszone, elektrisches Feld Raumladungszone, elektrisches Feld
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Grundlagen – p-n-Übergang Grundlagen – p-n-Übergang
Gleichgewicht: Diffusionsstrom und Driftstrom Gleichgewicht: Diffusionsstrom und Driftstrom kompensieren sich
kompensieren sich
V V
bibi: Eingebautes Potential durch Raumladungszone : Eingebautes Potential durch Raumladungszone
Grundlagen – p-n-Übergang Grundlagen – p-n-Übergang
Verhalten bei angelegter Spannung:
Verhalten bei angelegter Spannung:
„Vorwärts- „ Vorwärts- Schaltung“:
Schaltung“:
Diffusions- Diffusions- strom
strom verstärkt verstärkt
„ „ Rückwärts- Rückwärts- Schaltung“:
Schaltung“:
Diffusions- Diffusions- strom
strom
geschwächt geschwächt
Driftstrom Driftstrom
konstant
konstant
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Grundlagen – p-n-Übergang Grundlagen – p-n-Übergang
Kennlinie des p-n-Übergangs:
Kennlinie des p-n-Übergangs:
Grundlagen - Solarzelle Grundlagen - Solarzelle
Driftstrom hängt in erster Linie von Minoritätsladungsträgerdichte ab Driftstrom hängt in erster Linie von Minoritätsladungsträgerdichte ab
Eingestrahlte Photonen regen e-h-Paare an Eingestrahlte 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 abfließen
getrennt werden und abfließen
Leistung kann abgegriffen werden, Füllfaktor: P Leistung kann abgegriffen werden, Füllfaktor: P
maxmax/(U /(U
maxmaxI I
maxmax) )
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Grundlagen - Solarzelle Grundlagen - Solarzelle
Verluste:
Verluste:
Nicht alle einfallenden Photonen werden absorbiert Nicht alle einfallenden Photonen werden absorbiert
Angeregte Ladungsträger können rekombinieren Angeregte Ladungsträger können rekombinieren Quantenausbeute:
Quantenausbeute: = i / ej = i / ej
ph ph(bei Si: bis zu 90%) (bei Si: bis zu 90%)
Thermalisierungsverluste: höhere Zustände in Bändern Thermalisierungsverluste: höhere Zustände in Bändern relaxieren spontan
relaxieren spontan
Widerstände reduzieren nutzbare Leistung Widerstände reduzieren nutzbare Leistung
Grundlagen - Zusammenfassung Grundlagen - Zusammenfassung
Energiebänder im Halbleiter Energiebänder im Halbleiter durch Bandlücke getrennt durch Bandlücke getrennt
Photonabsorbtion regt Elektron vom Photonabsorbtion regt Elektron vom Valenzband ins Leitungsband an
Valenzband ins Leitungsband an
Elektron-Loch-Paar Elektron-Loch-Paar
Elektronen und Löcher werden im Elektronen und Löcher werden im
elektrischen Feld der Raumladungszone elektrischen Feld der Raumladungszone getrennt und fließen ab
getrennt und fließen ab
p-n-Übergang: Raumladungszone p-n-Übergang: Raumladungszone durch Ladungsträgerdiffusion
durch Ladungsträgerdiffusion
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Überblick Überblick
1. 1. Einleitung Einleitung
- Historie - Historie
- Entwicklung - Entwicklung
- Sonneneinstrahlung - Sonneneinstrahlung
2. 2. Festkörperphysikalische Grundlagen Festkörperphysikalische 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-Basis Solarzellen auf Silizium-Basis
- Konventionelle Solarzellen
- Konventionelle Solarzellen
- Dünnschicht-Solarzellen
- Dünnschicht-Solarzellen
Si-Solarzellen - konventionell Si-Solarzellen - konventionell
Konventionelle Solarzelle aus einkristallinem oder Konventionelle Solarzelle aus einkristallinem oder polykristallinem Silizium (c-Si bzw. p-Si):
polykristallinem Silizium (c-Si bzw. p-Si):
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Si-Solarzellen - konventionell Si-Solarzellen - konventionell
Herstellung Herstellung : :
Metallurgisches Si: Quarzsand Metallurgisches Si: Quarzsand SiO SiO
22+ C + C → → Si + CO Si + CO
22
„electronic grade“ Si: CVD- „ electronic grade“ Si: CVD- Abscheidung von SiHCl
Abscheidung von SiHCl
33 Polykristallines Si (Korngröße: Polykristallines Si (Korngröße:
~1cm)
~1cm)
Czochralski-Verfahren: Keimkristall Czochralski-Verfahren: Keimkristall aus Si-Schmelze ziehen
aus Si-Schmelze ziehen
Einkristallines Si Einkristallines Si
(Verunreinigungen < 10
(Verunreinigungen < 10
1818cm cm
-3-3) )
p-n-Übergang durch p-n-Übergang durch
Eindiffundieren von Phosphor Eindiffundieren von Phosphor
Elektrodenauftragung durch Elektrodenauftragung durch
Siebdruck mit Al-Paste (800°C)
Siebdruck mit Al-Paste (800°C)
Si-Solarzellen - konventionell Si-Solarzellen - konventionell
Einkristallin
Einkristallin vs. vs.
teuer teuer
15% - 17%
15% - 17%
(kommerziell) (kommerziell) 24% (Labor)
24% (Labor)
30% (2001) 30% (2001) 5 - 6 Jahre 5 - 6 Jahre
Polykristallin Polykristallin
billiger, da Czochralski billiger, da Czochralski
Prozess entfällt Prozess entfällt 13% - 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 Jahre 4 - 5 Jahre Herstellung:
Herstellung:
Wirkungsgrad:
Wirkungsgrad:
Anteil an der Anteil an der Produktion:
Produktion:
Amortisation:
Amortisation:
(energetisch)
(energetisch)
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Si-Solarzellen - Dünnschicht Si-Solarzellen - Dünnschicht
Merkmale:
Merkmale:
pin-Design: größere pin-Design: größere Raumladungszone Raumladungszone
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 Jahren
schon nach 3 Jahren
Aufbau:
Aufbau:
Si-Solarzellen - Dünnschicht Si-Solarzellen - Dünnschicht
Herstellung:
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 Siebdruck Elektrodenaufbringung durch Siebdruck
polykristallines Si durch andere Prozessführung möglich, polykristallines Si durch andere Prozessführung möglich, aber: schlechtere Absorbtion
aber: schlechtere Absorbtion light-trapping nötig light-trapping nötig
Vorteile:
Vorteile:
Modulgröße nicht beschränkt durch Si-Wafer Modulgröße nicht beschränkt durch Si-Wafer
Weniger Energieaufwand Weniger Energieaufwand
Kostengünstigere Herstellung Kostengünstigere Herstellung
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Si-Solarzellen - Zusammenfassung Si-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 Jahre Amortisationszeit: 4 – 6 Jahre
Dünnschicht-Solarzellen aus Dünnschicht-Solarzellen aus
amorphem Si:
amorphem Si:
Wirkungsgrad nur bis ~10% Wirkungsgrad nur bis ~10%
Herstellung billiger Herstellung billiger
