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2023 | Buch

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Photovoltaik – Physikalische Grundlagen und Konzepte

verfasst von: Gottfried Heinrich Bauer

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch beschreibt die Prinzipien und Konzepte der quantenhaften Solarenergiewandlung, der Photovoltaik, konsistent mit physikalischen Formulierungen.

Beginnend bei den Grundlagen zur Strahlungsquelle Sonne und den theoretischen Grenzen bei der Wandlung solarer Strahlung, über die grundlegenden Prinzipien der Photovoltaik bis zu realen Solarzellen und möglichen Konzepte zur Erhöhung der Ausbeute, ermöglicht das Buch einen Überblick über dieses, auch mit Blick auf eine dauerhafte und klimaneutrale Energieversorgung relevante Thema.

Zum Verständnis der Wirkungsweise und der thermodynamischen Limits sind Kenntnisse und Beziehungen aus verschiedenen Gebieten der Physik notwendig, wie Festkörper- und Halbleiterphysik, Thermodynamik und Statistik, Optik und Elektrodynamik. Diese Beziehungen werden zur Erklärung der Funktion von Solarzellen in den vorliegenden Kapiteln im Vergleich mit bestehenden Werken sehr ausführlich dargestellt und in einem Anhang für interessierte Leserinnen und Leser vertieft.

Der Inhalt dieses Buchs richtet sich dabei vornehmlich an Studierende im Bachelor- und Masterstudiengang von Natur- und Ingenieurwissenschaften, beispielsweise der Fachrichtungen Physik, Chemie, Umweltwissenschaften, Elektrotechnik und Informatik.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung

Zusammenfassung

Alle Abläufe im Universum haben mit Energie zu tun. So ist auch das menschliche Leben auf der Erde, sowie jegliche unserer Aktionen von Energie und deren Verfügbarkeit bestimmt.

Gottfried Heinrich Bauer

Kapitel 2. Strahlungsquelle Sonne

Zusammenfassung

Um die Konzepte der Wandlung solarer Strahlung zu verstehen und um die Grenzen abzuleiten, bedarf es zunächst der Beschreibung der Energieform der solaren Strahlung. Ihr Ursprung ist der Fusionsreaktor Sonne, der die Fusionsenergie aus dem Inneren an seiner Oberfläche als Strahlung abgibt.

Gottfried Heinrich Bauer

Kapitel 3. Theoretische Grenzen der Wandlung solarer Strahlung

Zusammenfassung

Die Sonne als thermischer Gleichgewichtsstrahler emittiert aufgrund ihrer Oberflächentemperatur von \(\textrm{T}_\textrm{Sun}=5\,800\,\textrm{K}\) hauptsächlich Photonen im Energiebereich \(0.2\,\textrm{eV} \le \hslash \omega \le 3.5\,\textrm{eV}\). Die Energieverteilung dieser Photonen entspricht dem Planck’schen Strahler.

Gottfried Heinrich Bauer

Kapitel 4. Grundlegende Prinzipien der Photovoltaik

Zusammenfassung

In Solarzellen wird ein elektronisches System durch solare Strahlung energetisch angeregt. Dieser Zustand muss eine gewisse Zeit, die Lebensdauer, vor der Rückkehr in den Ausgangszustand erhalten bleiben, damit die Energie zum Rand der absorbierenden Materie gelangen kann. Dort lässt sie sich an geeigneten Kontakten entnehmen.

Gottfried Heinrich Bauer

Kapitel 5. Solarzellen aus anorganischen und organischen Halbleitern

Zusammenfassung

Solarzellen sind elektronische Bauelemente, die solare Strahlung absorbieren und die Energie der Photonen in Anregungszustände überführen. Diese Zustände hochwertiger chemischer Energie, wie Elektron-Loch-Paare oder Exzitonen, werden zum Rand des Systems transportiert, wo ihre Anregung als elektrische Energie entnommen wird.

Gottfried Heinrich Bauer

Kapitel 6. Konzepte zur Erhöhung der Ausbeute

Zusammenfassung

Zur direkten Wandlung von Strahlung in elektronische oder chemische Energie gilt es, die energetische Verteilung und das quantenhafte Verhalten der Strahlung zu betrachten. Für die Wechselwirkung von Photonen mit Materie bestimmt die energetische Schwelle \(\epsilon _{\textrm{g}}\) die durch Absorption mögliche Anregung des elektronischen Systems.

Gottfried Heinrich Bauer

Backmatter

Titel: Photovoltaik – Physikalische Grundlagen und Konzepte
verfasst von: Gottfried Heinrich Bauer
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-66291-5
Print ISBN: 978-3-662-66290-8
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-66291-5

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