Solarzellen Wolfgang Scheibenzuber, Christian Müller

SolarzellenSolarzellen

Wolfgang Scheibenzuber,Wolfgang Scheibenzuber,Christian MüllerChristian Müller

22/30/30

ÜberblickÜberblick1.1. EinleitungEinleitung

- Historie- Historie- Entwicklung- Entwicklung- Sonneneinstrahlung- Sonneneinstrahlung

2.2. Festkörperphysikalische GrundlagenFestkörperphysikalische 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-BasisSolarzellen auf Silizium-Basis - - Konventionelle SolarzellenKonventionelle Solarzellen - - Dünnschicht-SolarzellenDünnschicht-Solarzellen

33/30/30

Einleitung - HistorieEinleitung - Historie 1839: Entdeckung des photovoltaischen Effekts durch A.E. 1839: Entdeckung des photovoltaischen Effekts durch A.E.

BecquerelBecquerel 1873: Photoleitfähigkeit von Selen1873: Photoleitfähigkeit von Selen 1883: Erste Photozelle aus Selen1883: Erste Photozelle aus Selen 1899: Nachweis des Photoeffekts durch Lennard1899: Nachweis des Photoeffekts durch Lennard 1905: Erklärung durch Einstein mittels Quantentheorie1905: Erklärung durch Einstein mittels Quantentheorie 1947: Entdeckung des p-n-Übergangs durch Shockley, 1947: Entdeckung des p-n-Übergangs durch Shockley,

Brattain, BardeenBrattain, 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 I1958: 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 Energieversorgungterrestrische Energieversorgung

44/30/30

Einleitung - EntwicklungEinleitung - 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% MWpdurchschnittliche Leistung: ~20% MWp

55/30/30

Einleitung - KostenEinleitung - Kosten

Wirtschaftliche Energieversorgung erreicht bei ~ 2 Wirtschaftliche Energieversorgung erreicht bei ~ 2 cent/kWh, entspricht 0,40 US$/Wpcent/kWh, entspricht 0,40 US$/Wp

BOS: balance-of-system costs, Kosten für nicht-BOS: balance-of-system costs, Kosten für nicht-photovoltaische Teile der Solaranlagephotovoltaische Teile der Solaranlage

Shockley-Queisser Limit: Grenze für Wirkungsgrad bei Shockley-Queisser Limit: Grenze für Wirkungsgrad bei thermischer Relaxationthermischer Relaxation

66/30/30

Einleitung - SonneneinstrahlungEinleitung - Sonneneinstrahlung

Gesamte eingestrahlte Leistung auf Erde: 170 000 TWGesamte 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“)

77/30/30

Einleitung - FunktionsprinzipEinleitung - Funktionsprinzip

1.Lichtabsorbtion1.Lichtabsorbtion2.Anregung2.Anregung3.Bewegung der Ladungsträger3.Bewegung der Ladungsträger4.Keine Rekombination4.Keine Rekombination5.Ladungstrennung5.Ladungstrennung6.Elekroden6.Elekroden

88/30/30





99/30/30

Grundlagen - BandstrukturGrundlagen - Bandstruktur

Anordnung der Atome zuAnordnung der Atome zuperiodischem Kristallgitterperiodischem Kristallgitter(hier: Silizium)(hier: Silizium)

Überlapp der Überlapp der ElektronenorbitaleElektronenorbitale

Ausbildung von Energie-Ausbildung von Energie-Bändern, BandlückenBändern, Bandlücken

1010/30/30

Grundlagen - BandstrukturGrundlagen - Bandstruktur

Bandstruktur gibt Energie-Impuls-Beziehung für ElektronenBandstruktur gibt Energie-Impuls-Beziehung für Elektronen Elektronen sind Fermionen Elektronen sind Fermionen Jeder Energie-Zustand nur Jeder Energie-Zustand nur

einfach besetzbareinfach besetzbar Volle und leere Bänder tragen nichts zum Stromfluss beiVolle und leere Bänder tragen nichts zum Stromfluss bei

1111/30/30

Grundlagen - BandstrukturGrundlagen - BandstrukturBeispiele:Beispiele:

1212/30/30

Grundlagen - HalbleiterGrundlagen - Halbleiter

Metall: oberstes Band nur teilweise besetzt Metall: oberstes Band nur teilweise besetzt Leitfähigkeit großLeitfähigkeit groß

Halbleiter/Isolator: Bänder, die Elektronen enthalten sind Halbleiter/Isolator: Bänder, die Elektronen enthalten sind vollständig besetztvollständig besetzt Leitfähigkeit geringLeitfähigkeit gering

Unterschied: Größe der Bandlücke, bei Halbleitern Unterschied: Größe der Bandlücke, bei Halbleitern thermische Anregung von Ladungsträgern möglichthermische Anregung von Ladungsträgern möglich

EEFF: Chemisches Potential: Chemisches Potential

1313/30/30

Grundlagen - HalbleiterGrundlagen - Halbleiter Dotierung: Einbringen von Fremdatomen zur Erhöhung der Dotierung: Einbringen von Fremdatomen zur Erhöhung der

LadungsträgerkonzentrationLadungsträgerkonzentration 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 LochLoch

1414/30/30

Grundlagen – Absorbtion von LichtGrundlagen – Absorbtion von Licht

Absorbtion eines Photons Absorbtion eines Photons möglich, wenn möglich, wenn ℏℏ > E> Egg

Photonen geringerer Photonen geringerer Energie werden Energie werden transmittierttransmittiert

Elektron wird aus Elektron wird aus Valenzband in Valenzband in Leitungsband angeregtLeitungsband angeregt

Elektron-Loch-PaarElektron-Loch-Paar Umgekehrter Effekt: Umgekehrter Effekt:

RekombinationRekombination

1515/30/30


Unterscheide direkte und indirekte Übergänge:Unterscheide direkte und indirekte Übergänge:- direkt: Ohne Impulsübertrag, hohe Wahrscheinlichkeitdirekt: Ohne Impulsübertrag, hohe Wahrscheinlichkeit- indirekt: Impulsübertrag durch Phonon, geringe indirekt: Impulsübertrag durch Phonon, geringe

WahrscheinlichkeitWahrscheinlichkeit

Direkter Übergang Direkter Übergang (z.B. GaAs)(z.B. GaAs)

Indirekter Übergang Indirekter Übergang (z.B. Ge)(z.B. Ge)

1616/30/30


Absorbtion im Festkörper folgt exponentiellem GesetzAbsorbtion im Festkörper folgt exponentiellem GesetzI = II = I00ee--xx

Absorbtionskonstante Absorbtionskonstante ist abhängig von Photon- ist abhängig von Photon-Energie und Art des ÜbergangsEnergie und Art des Übergangs

1717/30/30

Grundlagen – p-n-ÜbergangGrundlagen – p-n-Übergang

Kontaktiere p-dotierte mit n-dotierter SchichtKontaktiere p-dotierte mit n-dotierter Schicht Chemisches Potential unterschiedlich auf beiden SeitenChemisches Potential unterschiedlich auf beiden Seiten LadungsträgerdiffusionLadungsträgerdiffusion Raumladungszone, elektrisches FeldRaumladungszone, elektrisches Feld

1818/30/30


Gleichgewicht: Diffusionsstrom und Driftstrom Gleichgewicht: Diffusionsstrom und Driftstrom kompensieren sichkompensieren sich

VVbibi: Eingebautes Potential durch Raumladungszone: Eingebautes Potential durch Raumladungszone

1919/30/30


Verhalten bei angelegter Spannung:Verhalten bei angelegter Spannung: „„Vorwärts-Vorwärts-

Schaltung“: Schaltung“: Diffusions-Diffusions-strom strom verstärktverstärkt

„„Rückwärts-Rückwärts-Schaltung“: Schaltung“: Diffusions-Diffusions-strom strom geschwächtgeschwächt

Driftstrom Driftstrom konstantkonstant

2020/30/30


Kennlinie des p-n-Übergangs:Kennlinie des p-n-Übergangs:

2121/30/30

Grundlagen - SolarzelleGrundlagen - Solarzelle Driftstrom hängt in erster Linie von Minoritätsladungsträgerdichte abDriftstrom hängt in erster Linie von Minoritätsladungsträgerdichte ab Eingestrahlte Photonen regen e-h-Paare anEingestrahlte 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 abfließengetrennt werden und abfließen Leistung kann abgegriffen werden, Füllfaktor: PLeistung kann abgegriffen werden, Füllfaktor: Pmaxmax/(U/(UmaxmaxIImaxmax))

2222/30/30

Grundlagen - SolarzelleGrundlagen - SolarzelleVerluste:Verluste: Nicht alle einfallenden Photonen werden absorbiertNicht alle einfallenden Photonen werden absorbiert Angeregte Ladungsträger können rekombinierenAngeregte Ladungsträger können rekombinieren

Quantenausbeute: Quantenausbeute: = i / ej = i / ejph ph (bei Si: bis zu 90%)(bei Si: bis zu 90%) Thermalisierungsverluste: höhere Zustände in Bändern Thermalisierungsverluste: höhere Zustände in Bändern

relaxieren spontanrelaxieren spontan Widerstände reduzieren nutzbare LeistungWiderstände reduzieren nutzbare Leistung

2323/30/30

Grundlagen - ZusammenfassungGrundlagen - Zusammenfassung Energiebänder im Halbleiter Energiebänder im Halbleiter

durch Bandlücke getrenntdurch Bandlücke getrennt

Photonabsorbtion regt Elektron vom Photonabsorbtion regt Elektron vom Valenzband ins Leitungsband anValenzband ins Leitungsband an

Elektron-Loch-PaarElektron-Loch-Paar

Elektronen und Löcher werden im Elektronen und Löcher werden im elektrischen Feld der Raumladungszone elektrischen Feld der Raumladungszone getrennt und fließen abgetrennt und fließen ab

p-n-Übergang: Raumladungszone p-n-Übergang: Raumladungszone durch Ladungsträgerdiffusiondurch Ladungsträgerdiffusion

2424/30/30





2525/30/30

Si-Solarzellen - konventionellSi-Solarzellen - konventionellKonventionelle Solarzelle aus einkristallinem oder Konventionelle Solarzelle aus einkristallinem oder polykristallinem Silizium (c-Si bzw. p-Si):polykristallinem Silizium (c-Si bzw. p-Si):

2626/30/30

Si-Solarzellen - konventionellSi-Solarzellen - konventionellHerstellungHerstellung:: Metallurgisches Si: Quarzsand Metallurgisches Si: Quarzsand

SiOSiO22 + C + C → → Si + COSi + CO22 „„electronic grade“ Si: CVD-electronic grade“ Si: CVD-

Abscheidung von SiHClAbscheidung von SiHCl33 Polykristallines Si (Korngröße: Polykristallines Si (Korngröße: ~1cm)~1cm)

Czochralski-Verfahren: Keimkristall Czochralski-Verfahren: Keimkristall aus Si-Schmelze ziehenaus Si-Schmelze ziehen Einkristallines Si Einkristallines Si (Verunreinigungen < 10(Verunreinigungen < 101818 cm cm-3-3))

p-n-Übergang durch p-n-Übergang durch Eindiffundieren von PhosphorEindiffundieren von Phosphor

Elektrodenauftragung durch Elektrodenauftragung durch Siebdruck mit Al-Paste (800°C)Siebdruck mit Al-Paste (800°C)

2727/30/30

Si-Solarzellen - konventionellSi-Solarzellen - konventionellEinkristallin Einkristallin vs. vs.teuerteuer

15% - 17%15% - 17%(kommerziell) (kommerziell)

24% (Labor)24% (Labor)

30% (2001)30% (2001)5 - 6 Jahre5 - 6 Jahre

PolykristallinPolykristallinbilliger, da Czochralski billiger, da Czochralski

Prozess entfälltProzess entfällt13% - 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 Jahre4 - 5 Jahre

Herstellung:Herstellung:

Wirkungsgrad:Wirkungsgrad:

Anteil an der Anteil an der Produktion:Produktion:

Amortisation:Amortisation:(energetisch)(energetisch)

Degradation:Degradation: 10% - 13% in 20 – 25 Jahren 10% - 13% in 20 – 25 Jahren

2828/30/30

Si-Solarzellen - DünnschichtSi-Solarzellen - DünnschichtMerkmale:Merkmale:

pin-Design: größere pin-Design: größere RaumladungszoneRaumladungszone

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 Jahrenschon nach 3 Jahren

Aufbau:Aufbau:

2929/30/30

Si-Solarzellen - DünnschichtSi-Solarzellen - DünnschichtHerstellung: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 SiebdruckElektrodenaufbringung durch Siebdruck polykristallines Si durch andere Prozessführung möglich, polykristallines Si durch andere Prozessführung möglich,

aber: schlechtere Absorbtion aber: schlechtere Absorbtion light-trapping nötiglight-trapping nötig

Vorteile:Vorteile: Modulgröße nicht beschränkt durch Si-WaferModulgröße nicht beschränkt durch Si-Wafer Weniger EnergieaufwandWeniger Energieaufwand

Kostengünstigere HerstellungKostengünstigere Herstellung

3030/30/30

Si-Solarzellen - ZusammenfassungSi-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 JahreAmortisationszeit: 4 – 6 Jahre

Dünnschicht-Solarzellen aus Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Si:amorphem Si:

Wirkungsgrad nur bis ~10%Wirkungsgrad nur bis ~10% Herstellung billigerHerstellung billiger Amortisationszeit: 3 JahreAmortisationszeit: 3 Jahre

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