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1994 | Book

Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung

Solarstrahlung, Halbleitereigenschaften und Solarzellenkonzepte

Authors: Prof. Dr.-Ing. Hans-Günther Wagemann, Dr.-Ing. Heinz Eschrich

Publisher: Vieweg+Teubner Verlag

Book Series: Teubner Studienbücher Physik

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About this book

Neben anderen regenerativen Energiequellen wie Wasser, Wind, Solarthermik und Biomasse bietet auch die Photovoltaik die Chance, einen Anteil für die Energieversorgung der Zukunft beizusteuern. Dafür sind mit staatlicher Förderung Oährlich ca. 180 Mio. DM aus Bundesmitteln) einige Pilotkraftwerke entstanden, ebenso sind im Tausend-Dächer­ Programm zahlreiche netzgekoppelte Generatoren auf Privathäusern erstellt worden. Es steht jedoch außer Frage, daß noch viel Forschungs-und Entwicklungsarbeit, aber vor allem Überzeugungsarbeit, geleistet werden muß, bis die ersten Verbrennungsaggregate durch Photovoltaik-Kraftwerke abgelöst werden. Ziel dieses Lehrbuches ist es, Studenten im Hauptstudium der Physik und Elektrotechnik sowie Ingenieure mit Bauelement-Erfahrungen an das interessante Arbeitsgebiet der Photovoltaik heranzuführen und ihnen sichere halbleitertechnische Kenntnisse für den Entwurf, die Herstellung und den Umgang mit dem Bauelement Solarzelle zu vermitteln. Dabei werden Grundkenntnisse der Halbleiterphysik vorausgesetzt, wie sie Studenten im Grundstudium der Elektrotechnik vermittelt werden. Der Inhalt wurde als Vorlesung am Fachbereich Elektrotechnik der Technischen Universität Berlin erarbeitet. Die begeisterte Mitarbeit der Studierenden hat die Autoren sehr zu dieser Niederschrift in Buchform ermutigt. Herrn Dip!.-Ing. D. Lin danken wir für seine engagierte Mitarbeit und für zahlreiche Anregungen, ebenso den studentischen Mitarbeitern, allen voran Herrn M. Roche!.

Table of Contents

Frontmatter
1. Geschichtliche Entwicklung der Photovoltaik in Stichworten
Zusammenfassung
Die wesentlichen Fortschritte auf dem Gebiet der Photovoltaik werden jeweils mit dem wichtigsten Zitat referiert.
Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich
2. Die Solarstrahlung als Energiequelle der Photovoltaik
Zusammenfassung
Um die photovoltaische Energiewandlung effizient gestalten zu können, ist die genaue Kenntnis des Strahlungsangebotes notwendig. Der Empfänger Solarzelle muß an das eingestrahlte Spektrum optimal angepaßt werden. Deshalb sollen zunächst ein physikalisches Modell der Solarstrahlung und die Auswirkungen der Erdatmosphäre auf die spektrale Zusammensetzung des Lichtes diskutiert werden.
Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich
3. Halbleitermaterial für die photovoltaische Energiewandlung
Zusammenfassung
Alle Festkörper lassen sich durch das Energiebänder-Modell der Festkörperelektronen beschreiben. Zufuhr von Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung führt dazu, die gequantelten Schwingungszustände der Atome anzuregen (Phononen-Erzeugung) und dabei auch Energie an Elektronen zu übertragen, die damit auf unbesetzte Zustände innerhalb der Energiebänder gelangen können. Nur bei Metallen mit ihrem teilgefüllten Leitungsband übernimmt das Kollektiv der quasi-freien Elektronen, das Elektronengas in der Umgebung der energetischen Besetzungsgrenze, der Fermi-Energie WF, dabei auch sehr kleine Energiebeträge. Aufgrund ihrer hohen Dichte freier Elektronen (1022 cm−3) absorbieren Metalle ein breites Spektrum elektromagnetischer Strahlung innerhalb einer sehr geringen Schichtdicke und wandeln es in Wärme um.
Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich
4. Grundlagen für Solarzellen aus kristallinem Halbleitermaterial
Zusammenfassung
Eine Solarzelle ist ein optoelektronisches Bauelement, in dem durch Lichtabsorption freie Elektron-Loch-Paare generiert und danach voneinander getrennt werden. So wird ein Potentialunterschied erzeugt, der einen elektrischen Strom treiben kann. Als Bauelemente für die photovoltaische Energiewandlung sind Halbleiterdioden geeignet. In ihnen entsteht durch den Kontakt von n-leitendem und p-leitendem Halbleitermaterial in der Umgebung der Grenzfläche eine Raumladungszone (RLZ). Aus dem n-leitenden Bereich diffundieren die dort sehr zahlreichen Elektronen in das p-Gebiet, in dem fast nur Löcher als bewegliche Ladungsträger existieren. Umgekehrt diffundieren Löcher in das n-Gebiet. Die herüberdiffundierten Ladungsträger rekombinieren nunmehr als Minoritätsträger mit den Majoritäten, sowohl in der RLZ als auch im angrenzenden Bereich. In den vorher elektrisch neutralen Bahngebieten bleiben unbewegliche Störstellen zurück, positiv geladene Donatoren im n-Gebiet und negativ geladene Akzeptoren im p-Gebiet. Zwischen den Bereichen unterschiedlicher Ladungen baut sich ein elektrisches Feld auf, das einen Strom verursacht, welcher der Diffusionsbewegung entgegengerichtet ist und somit einen vollständigen Konzentrationsausgleich von n- und p-Gebiet verhindert.
Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich
5. Monokristalline Silizium-Solarzellen
Zusammenfassung
Als erstes praktisches Beispiel der technischen Realisierung eines photovoltaischen Bauelementes sollen Solarzellen aus monokristallinem Silizium (c-Si) diskutiert werden. Dieses Material ist gut geeignet, weil seine Bandlücke von etwa 1,1 eV nahe dem Optimum für die Wandlung der Solarstrahlung (siehe Kap. 3) liegt und seine Technologie aus der Mikroelektronik bestens erforscht ist. Silizium ist in großen Mengen verfügbar und ungiftig.
Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich
6. Polykristalline Silizium-Solarzellen
Zusammenfassung
Silizium als Werkstoff für mikroelektronische und leistungselektronische Bauelemente wird mit hoher Reinheit als einkristallines SeGS-Material (semiconductor grade silicon) hergestellt. Während für diese Bauelemente die Herstellungskosten des Materials keine große Rolle spielen, bilden sie für Solarzellen, deren gewandelte Leistung proportional zur bestrahlten Fläche ist, einen beträchtlichen Teil der Gesamtkosten. Bei den kristallinen Solarzellen kommt hinzu, daß die mechanische Stabilität der Zelle (Vermeidung von Bruch) über die Zellendicke (> 0,3 mm) eingestellt wird. Deshalb hat man neuartige, an den spezifischen Bedürfnissen der Photovoltaik ausgerichtete Verfahren entwickelt, um die Herstellungskosten für Solarzellen-Silizium zu senken. Dabei läßt man eine Minderung von wichtigen Parametern (Fremdstoffgehalt und einwandfreies Kristallwachstum) in kalkulierter Weise zu. Freilich muß man in diesem Fall einen etwas verringerten Energiewandlungs-Wirkungsgrad, auf den die sehr empfindlich durch Fremdstoffe und Gitterunregelmäßigkeiten beeinträchtigte Minoritätsträger-Diffusionslänge (s. Kap. 5) wirkt, in Kauf nehmen.
Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich
7. Galliumarsenid-Solarzellen
Zusammenfassung
Das im Kap. 4 entwickelte Grundmodell der Solarzellen ist auch auf kristallines Galliumarsenid (GaAs) anwendbar, wenn bestimmte Eigenschaften, die von denen des kristallinen Siliziums abweichen, berücksichtigt werden. Nahezu alle diese abweichenden Eigenschaften lassen sich von einem grundlegenden Unterschied zwischen Si und GaAs ableiten: GaAs ist ein direktes, Si dagegen indirektes Halbleitermaterial (s. Abb. 3.2). Daraufhin verläuft der Absorptionskoeffizient α(λ) des GaAs über der Wellenlänge sehr viel steiler als beim c-Si. Während der Anstieg zwischen Bandkanten-Wellenlänge (Beginn der Volumenabsorption mit α = 10 cm−l) und dem Wert α = 104 cm−1 (Oberflächenabsorption mit der Lichteindringtiefe α−1 = 1 μm) für Silizium im Intervall 1,1 μm > λ > 0,50 μm liegt, so gilt beim GaAs entsprechend 0,88 μm > λ > 0,78 μm. Im Bereich des Maximums des terrestrischen Standardspektrums AM1,5 beiλmax 480 nm ist der Absorptionskoeffizient des GaAs um eine Größenordnung größer als der des Si. Zusammengefaßt bedeutet dies, daß man beim Silizium mehr als um den Faktor 10 dickere Materialschichten benötigt, um einen vergleichbaren Anteil der solaren Strahlungsleistung zu absorbieren wie in GaAs. Vergleichbare Dicken sind beim Silizium 20...50 μm und beim GaAs 1...3 μm.
Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich
8. Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium
Zusammenfassung
Die fehlende Ordnung der atomaren Struktur ist das Hauptmerkmal, mit dem sich amorphe von kristallinen Materialien unterscheiden (Abb. 8.1). Jedoch ist es nicht die fehlende Fernordnung, welche die Eigenschaften des amorphen Halbleiters ausmacht. Aus der Schrödinger-Gleichung und dem Bloch-Theorem könnte man dies zunächst schließen. Entscheidend ist die Nahordnung, die im amorphen Material relativ stark erhalten bleibt, was man aus einem Diagramm entnehmen kann, das für die regelmäßig-geordnete kristalline Phase (oben), für die gestörte amorphe Phase (Mitte) und für die völlig ungeordnete Gasphase (unten) die Wahrscheinlichkeit, ein Nachbaratom zu finden, über dem räumlichen Abstand von einem Beobachtungspunkt (“Auf-Atom”) angibt (Abb. 8.2). Erst mit zunehmender Entfernung (hier vom 5. – 6. Nachbarn ab) ist die amorphe Materie zufallsverteilt wie in einem Gas.
Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich
9. Alternative Solarzellen-Konzepte
Zusammenfassung
Alle Solarzellen, die wir bisher in diesem Buch kennengelernt haben, sind mit einem Nachteil behaftet: sie sind zu teuer! Man kann die Gesetzgebung beklagen oder mit Hinweis auf die Ökobilanz der Photovoltaik /9.1/ und die Subventionierung anderer Energieträger politische Maßnahmen fordern /9.2/ Kein Weg führt jedoch an Forschungsanstrengungen zur Herstellung preisgünstigerer und effektiverer Solarzellen vorbei. Deshalb werden auch in der Zukunft neue Materialien und Bauelement-Konzepte untersucht werden müssen. Einige zur Zeit diskutierte Alternativen sollen in diesem abschließenden Kapitel vorgestellt werden.
Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich
10. Ausblick
Zusammenfassung
In den Kapiteln dieses Buches wurden die Grundlagen der Photovoltaik-Strategien entwickelt. Besonderes Gewicht wurde auf die Darstellung technischer Entscheidungen gelegt, z.B. bei der Wahl von kristallinem gegenüber amorphem Silizium, von Silizium gegenüber Galliumarsenid, bei der Wahl der Ladungstrennung mit Hilfe elektrischer Felder an der Bauelement-Oberfläche, bei der Darstellung der Einflußgrößen, z.B. des Produktes α· Ln bei np-c-Si-Solarzellen. Manche Details wurden dabei übergangen, um den “Roten Faden” in der Argumentation beizubehalten. Ein Anspruch auf Vollständigkeit wird deshalb nicht erhoben.
Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich
Backmatter
Metadata
Title
Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung
Authors
Prof. Dr.-Ing. Hans-Günther Wagemann
Dr.-Ing. Heinz Eschrich
Copyright Year
1994
Publisher
Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN
978-3-322-94731-4
Print ISBN
978-3-519-03218-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-322-94731-4