ENERGIE AUS SONNENLICHT PHYSIK DER ENERGIEKONVERSION · Materie-Antimaterie 90 ... Physik der Si-Solarzelle Organische Halbleiter / Organische Solarzellen . Title: Field-dependent

ENERGIE AUS SONNENLICHT PHYSIK DER ENERGIEKONVERSION

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

Moderne Themen der Physik Potsdam, 16.4.2014

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


What is the Sun?

MA Green, Third generation photovoltaics

Energy Density per Unit Photon Energy (as a function of photon energy E)

0

0,5

1

1,5

2

250,0 750,0 1250,0 1750,0

Sp

ectr

al

irra

dia

nce

(W

m-2

)

Wavelength (nm)

extraterrestrial

terrestrial

Blackbody 5800K

1/exp

1332

3

kTcd

deE

Sun appears to us as black body of Temperature 5800 K

323

42

0

115

)(m

Jc

TkEdEe SB

ES

Total energy density:

Emission intensity 2744

23

2

104.660 m

WTTc

kI SS

BS


Das Sonnenspektrum

AM1.5G: 930 W/m2 direkt

1000 W/m2 global MA Green, Third generation photovoltaics


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

AS

A

T

T

T

T 0

4

4

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


Solarturm-Kraftwerke

Ivanpah Mojave Wüste, Kalifornien Arbeitsmedium Dampf 347 000 Heliostaten verteilt auf 14106 m2 (14 km2) entspr. 14 GW Strahlungsleistung 392 MW elektrische Leistung entspr. 2,8 % bezogen auf Gesamtfläche Baukosten 2.2 Milliarden Dollar 5.6 $ pro W

Quellen: Internet und Physik Journal 2014


Solar-Stirling

EuroDish Solar Receiver: Kombination aus Parabolspiegel und Stirling Motor:

9.2 kW Nettoleistung 16 % Wirkungsgrad

http://de.wikipedia.org/wiki/Solar-Stirling

SunCatcher von Stirling Energy Systems Rekordeffizienz 31.25 %

Maricopa Solar Plant, Arizona

1.5 MW Nettoleistung 26 % Wirkungsgrad > 500 oC Arbeitstemperatur

http://www.power-technology.com/

http://www.nrel.gov/csp/solarpaces/project_detail.cfm/projectID=58


Solarzellen

http://www.gsi-fonds.de/fileadmin/assets/Solar/Solarprinzip.jpg


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

En

erg

y

Elektrode 2 Elektrode 1

Leitungsband

Valenzband

Strom e-

h+


Grenzen der Photovoltaik


Grundlegende Limitierung E

nerg

ie

VB

hn=EG hn<EG hn>EG

Keine Absorption

Idealfall Energieverlust durch Thermalisierung

LB

Bandlücke

Prof. Dr. Dieter Neher Universität Potsdam 19

The Shockley-Queisser limit

Ωemit

Jγ,emit(V)

Jγ,0

T0

T0

Ts

Jγ,S

V

J

Ωs

recombination

relaxation not absorbed

useful power

AM 1.5 V J


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


Effizente 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)


A Hybrid Triple Layer Cell

S. Roland et al.,, Adv. Mater, in print

11.7 % Power Conversion Efficiency


Solarzellen - Rekordeffizienzen

NREL Solar Cell Efficiency Chart http://www.nrel.gov/ncpv/

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