ENERGIE AUS SONNENLICHT: PHYSIK DER ENERGIEKONVERSION

Dieter Neher Physik weicher Materie Institut für Physik und Astronomie Universität Potsdam Potsdam-Golm

Potsdam, 23.4.2013

Prof. Dr. Dieter Neher Universität Potsdam

Weltweiter Energiebedarf

Energiebedarf (weltweit) : WBedarf = 5.1 10 14 MJ/Jahr

Fossile Energieträger:

Steinkohle 30 MJ/kg 1.61010 t/y

Benzin 32 MJ/l 1.61010 Ɩ/y

entsp. (2500 m)3

Nukleare Energieträger:

U 235 90106 MJ/kg 5600 t/y

Kernkraftwerk 1106 MJ/kg 500.000 t/y

Fusionsreaktor 300106 MJ/kg 1700 t/y

Materie-

Antimaterie

90109 MJ/kg 5.5 t/y

Treibhauseffekt

Sonnenenergie

http://www.eike-klima-energie.eu

Sonnenenergie

Strahlungsleistung der Sonne auf Erdoberfläche (im Mittel)

PSonne = 198 W/m2

Strahlungsenergie:

WSonne =3.2 10 21 kJ/Jahr

Energiebedarf (weltweit) :

WBedarf = 5.1 10 17 kJ/Jahr

Elektrische Energie (weltweit)

Welekt = 8.6 10 16 kJ/Jahr

Der weltweite Energiebedarf beträgt nur ca. 0.01 % der Energie, die durch Sonnenlicht die Erde erreicht

http://oceanworld.tamu.edu/resources/oceanography-book/oceansandclimate.htm

Das Solarspektrum

AM0 – außerhalb der Atmosphäre

AM1 – Erdoberfläche bei senkrechtem Einfall

AM1.5 – bei Einfallswinkel von 48°

AM1.5: 1000 W/m2

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik in der Formulierung von Kelvin und Planck lautet: „Es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die weiter nichts bewirkt als Hebung einer Last und Abkühlung eines Wärmereservoirs.

Es gibt keine Wärmekraftmaschine, die bei gegebenen mittleren Temperaturen der Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr einen höheren Wirkungsgrad hat als den aus diesen Temperaturen gebildeten Carnot-Wirkungsgrad.

In einem abgeschlossenen System kann die Entropie nicht abnehmen, sie nimmt in der Regel zu. Nur bei reversiblen Prozessen bleibt sie konstant

http://de.wikipedia.org/wiki/Thermodynamik

Maximaler Wirkungsgrad

max 11

TS = 5778 K T0 = 297 K

Konversion von Strahlungsleistung in mechanische Arbeit:

Aus Würfel: Physik der Solarzelle

begrenzt durch: Wärmestrahlung des Absorbers Wirkungsgrads des Carnot-Prozesses:

Solarturm-Kraftwerke

Solar One Mojave Wüste, Kalifornien Arbeitsmedium Wasserdampf 1818 Heliostaten a 39.3 m2 71103 m2 entspr. 71 MW maximale Strahlungsleistung 10 MW elektrische Leistung 7 % im Jahresdurchschnitt

http://www.theenergylibrary.com/node/570

Solarthermisches Versuchskraftwerk Jülich Arbeitsmedium heiße Luft (bis 700 oC) Generatormedium: Wasserdampf 2153 Heliostaten 18103 m2 entspr. 18 MW maximale Strahlungsleistung 1.5 MW elektrische Leistung

http://www.dlr.de/sf/desktopdefault.aspx/tabid-7160/11955_read-33199

PS 10 Ebene von Sanlúcar la Mayor (Spanien) Arbeitsmedium Wasserdampf Arbeitstemperatur 250 oC 624 Heliostaten a 120 m2 75103 m2 entspr. 75 MW maximale Strahlungsleistung 11 MW elektrische Leistung Baukosten 35 M€ entsprechend € 3.1/W

http://www.theenergylibrary.com/node/570

Gemasolar Fuentes de Andalicia (Spanien) Arbeitsmedium geschmolzenes Salz Arbeitstemperatur bis 570 oC Generatormedium Wasserdampf 2650 Spiegel a 120 m2 318103 m2 entspr. 318 MW maximale Strahlungsleistung 20 MW elektrische Leistung Herstellungskosten 171 M€ (€ 8.6 /W)

http://www.solarserver.de

Anorganische Halbleiter

Energie

Leeres Leitungsband (LB) Vollständig mit Elektronen gefülltes Valenzband (VB)

Ausbildung delokalisierter Energiebänder durch Überlagerung der atomaren Orbitale

Erzeugung von Elektron-Loch Paaren

• Licht hebt Elektron vom Valanz- ins Leitungsband • Dabei entsteht ein schwach gebundenes Elektron-Loch Paar • Dieses “dissoziiert” bei Raumtemperatur schnell in freie Elektronen und Löcher

Leitungsband

Valenzband

Grundprinzip der Solarzelle

• Extraktion der freien Ladungsträger zu separaten Kontakten

Elektrode 2 Elektrode 1

Leitungsband

Valenzband

Strom e-

Grenzen der Photovoltaik

Grundlegende Limitierung E

hn=EG hn<EG hn>EG

Keine Absorption

Idealfall Energieverlust durch Thermalisierung

Bandlücke

Das Shockley-Queisser Limit

en.wikipedia.org/wiki/Shockley–Queisser_limit, Würfel: Physik der Solarzellen

Maximale Konversionseffizienz einer Solarzelle mit einer aktiven Schicht:

33.7 %

Das Shockley-Queisser Limit

http://greenecon.net/what%E2%80%99s-pushing-solar-energy-efficiency/energy_economics.html

Sonnenenergie in Deutschland

PV in der deutschen Stromproduktion* 4 % im Durchschnitt 30 % im Maximum

c/o Bernd Rech, HZB

* 2012

Si-Photovoltaik

Silizium ist ein indirekter Halbleiter Effiziente Absorption erfordert dicke Schichten

http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle http://photonicssociety.org/newsletters/ dec02/industrial_research.html

Dünnschicht-Solarzellen

c/o Bernd Rech, HZB Berlin

Effizienz von Mehrschicht-Solarzellen

Graetzel et al., Nature 488, 304 (2012)

Effizienzen von über 30 % nur möglich in Mehrschichtstrukturen mit angepassten Absorptionsbedingungen

Sonnenspektrum und optimale Absorptionsbereiche:

Organische Halbleiter

kleine konjugierte Moleküle konjugierte Makromoleküle

c/o Christian Cloc, Nanyang Univeristy c/o Sebastian Bange, Univ Potsdam

Präzise Kontrolle der Absorptionseigenschaften

c/o Klaus Meerholz, Universität Köln

Beste Polymer-Tandemzelle

10.6 % Effizienz

• Aktive Schichten aus Lösung prozessiert • Gute Nutzung des Sonnenspektrums • 10.6 % Leistungseffizienz im Bauteil

J. You, Y. Yang et al., Nature Commun. 4, 1446 (2013)

Beste organische Multischichtzelle

Heliatek Pressemitteilung: http://www.heliatek.com/newscenter/latest_news/

Solarzellen - Rekordeffizienzen

NREL Solar Cell Efficiency Chart Feb 2013

Solarzellen - Rekordeffizienzen

NREL Solar Cell Efficiency Chart Feb 2013

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Seminarthemen

Physik der Stromerzeugung aus Kernkraft Physik der Energiespeicherung Energiebilanz der Erde Physik der Si-Solarzelle Physik der Elektromobilität Organische Halbleiter

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