Solarzellen

1. Solarzellen Wolfgang Scheibenzuber, Christian Müller

2. Überblick • Einleitung - Historie - Entwicklung - Sonneneinstrahlung • Festkörperphysikalische Grundlagen - Bandstruktur - Halbleiter - Absorbtion von Licht - Der p-n-Übergang - Anwendung auf Solarzelle • Solarzellen auf Silizium-Basis - Konventionelle Solarzellen - Dünnschicht-Solarzellen

3. Einleitung - Historie • 1839: Entdeckung des photovoltaischen Effekts durch A.E. Becquerel • 1873: Photoleitfähigkeit von Selen • 1883: Erste Photozelle aus Selen • 1899: Nachweis des Photoeffekts durch Lennard • 1905: Erklärung durch Einstein mittels Quantentheorie • 1947: Entdeckung des p-n-Übergangs durch Shockley, Brattain, Bardeen • 1953: Entwicklung der ersten Solarzelle aus Silizium bei Bell Labs durch Chaplin, Fuller, Pearson Wirkungsgrad: 4 – 6% • 1958: Erster praktischer Einsatz im Satelliten Vangard I • 1976: Gründung des DOE in den USA, Solarzellen auch für terrestrische Energieversorgung

4. Einleitung - Entwicklung • Exponentieller Zuwachs während der letzten Dekaden • MWp : MegaWatt peak, Leistung bei „Standardbedingungen“, durchschnittliche Leistung: ~20% MWp

5. Einleitung - Kosten • Wirtschaftliche Energieversorgung erreicht bei ~ 2 cent/kWh, entspricht 0,40 US$/Wp • BOS: balance-of-system costs, Kosten für nicht-photovoltaische Teile der Solaranlage • Shockley-Queisser Limit: Grenze für Wirkungsgrad bei thermischer Relaxation

6. Einleitung - Sonneneinstrahlung • Gesamte eingestrahlte Leistung auf Erde: 170 000 TW (= 13000x momentaner Stromverbrauch) • Absorbtion von Licht in Atmosphäre ist abhängig vom zurückgelegten Weg („air mass AMx“)

7. Einleitung - Funktionsprinzip 1.Lichtabsorbtion 2.Anregung 3.Bewegung der Ladungsträger 4.Keine Rekombination 5.Ladungstrennung 6.Elekroden

8. Überblick • Einleitung - Historie - Entwicklung - Sonneneinstrahlung • Festkörperphysikalische Grundlagen - Bandstruktur - Halbleiter - Absorbtion von Licht - Der p-n-Übergang - Anwendung auf Solarzelle • Solarzellen auf Silizium-Basis - Konventionelle Solarzellen - Dünnschicht-Solarzellen

9. Überlapp der Elektronenorbitale Ausbildung von Energie-Bändern, Bandlücken Grundlagen - Bandstruktur Anordnung der Atome zu periodischem Kristallgitter (hier: Silizium)

10. Grundlagen - Bandstruktur • Bandstruktur gibt Energie-Impuls-Beziehung für Elektronen • Elektronen sind Fermionen  Jeder Energie-Zustand nur einfach besetzbar • Volle und leere Bänder tragen nichts zum Stromfluss bei

11. Grundlagen - Bandstruktur Beispiele:

12. Grundlagen - Halbleiter • Metall: oberstes Band nur teilweise besetzt  Leitfähigkeit groß • Halbleiter/Isolator: Bänder, die Elektronen enthalten sind vollständig besetzt  Leitfähigkeit gering • Unterschied: Größe der Bandlücke, bei Halbleitern thermische Anregung von Ladungsträgern möglich • EF: Chemisches Potential

13. Grundlagen - Halbleiter • Dotierung: Einbringen von Fremdatomen zur Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration • Dadurch Veränderung des chem. Potentials in Richtung LB (n-Dotierung, mehr Elektronen) bzw. VB (p-Dotierung, mehr Löcher) • Zwei Arten von Ladungsträgern: Elektronen und Löcher (da nicht gefülltes Valenzband ebenfalls Strom trägt) fehlendes Elekron im Valenzband  Loch

14. Grundlagen – Absorbtion von Licht • Absorbtion eines Photons möglich, wenn ℏ > Eg • Photonen geringerer Energie werden transmittiert • Elektron wird aus Valenzband in Leitungsband angeregt  Elektron-Loch-Paar • Umgekehrter Effekt: Rekombination

15. Grundlagen – Absorbtion von Licht Unterscheide direkte und indirekte Übergänge: • direkt: Ohne Impulsübertrag, hohe Wahrscheinlichkeit • indirekt: Impulsübertrag durch Phonon, geringe Wahrscheinlichkeit Indirekter Übergang (z.B. Ge) Direkter Übergang (z.B. GaAs)

16. Grundlagen – Absorbtion von Licht • Absorbtion im Festkörper folgt exponentiellem Gesetz I = I0e-x • Absorbtionskonstante  ist abhängig von Photon-Energie und Art des Übergangs

17. Grundlagen – p-n-Übergang • Kontaktiere p-dotierte mit n-dotierter Schicht • Chemisches Potential unterschiedlich auf beiden Seiten Ladungsträgerdiffusion  Raumladungszone, elektrisches Feld

18. Grundlagen – p-n-Übergang • Gleichgewicht: Diffusionsstrom und Driftstrom kompensieren sich • Vbi: Eingebautes Potential durch Raumladungszone

19. Grundlagen – p-n-Übergang Verhalten bei angelegter Spannung: • „Vorwärts-Schaltung“: Diffusions-strom verstärkt • „Rückwärts-Schaltung“: Diffusions-strom geschwächt • Driftstrom konstant

20. Grundlagen – p-n-Übergang Kennlinie des p-n-Übergangs:

21.  Leistung kann abgegriffen werden, Füllfaktor: Pmax/(UmaxImax) Grundlagen - Solarzelle • Driftstrom hängt in erster Linie von Minoritätsladungsträgerdichte ab • Eingestrahlte Photonen regen e-h-Paare an  Mehr Minoritätsladungsträger, die im E-Feld der Raumladungszone getrennt werden und abfließen

22. Grundlagen - Solarzelle Verluste: • Nicht alle einfallenden Photonen werden absorbiert • Angeregte Ladungsträger können rekombinieren Quantenausbeute:  = i / ejph (bei Si: bis zu 90%) • Thermalisierungsverluste: höhere Zustände in Bändern relaxieren spontan • Widerstände reduzieren nutzbare Leistung

23. Photonabsorbtion regt Elektron vom Valenzband ins Leitungsband an  Elektron-Loch-Paar • p-n-Übergang: Raumladungszone durch Ladungsträgerdiffusion • Elektronen und Löcher werden im elektrischen Feld der Raumladungszone getrennt und fließen ab Grundlagen - Zusammenfassung • Energiebänder im Halbleiter durch Bandlücke getrennt

24. Überblick • Einleitung - Historie - Entwicklung - Sonneneinstrahlung • Festkörperphysikalische Grundlagen - Bandstruktur - Halbleiter - Absorbtion von Licht - Der p-n-Übergang - Anwendung auf Solarzelle • Solarzellen auf Silizium-Basis - Konventionelle Solarzellen - Dünnschicht-Solarzellen

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

26. Si-Solarzellen - konventionell Herstellung: • Metallurgisches Si: Quarzsand SiO2 + C → Si + CO2 • „electronic grade“ Si: CVD-Abscheidung von SiHCl3  Polykristallines Si (Korngröße: ~1cm) • Czochralski-Verfahren: Keimkristall aus Si-Schmelze ziehen  Einkristallines Si (Verunreinigungen < 1018 cm-3) • p-n-Übergang durch Eindiffundieren von Phosphor • Elektrodenauftragung durch Siebdruck mit Al-Paste (800°C)

27. Einkristallin vs. teuer 15% - 17% (kommerziell) 24% (Labor) 30% (2001) 5 - 6 Jahre Polykristallin billiger, da Czochralski Prozess entfällt 13% - 15% (kommerziell) 20% (Labor) (Grund: „dangling bonds“ und Verunreinigungen) 57% (2001) 4 - 5 Jahre Si-Solarzellen - konventionell Herstellung: Wirkungsgrad: Anteil an der Produktion: Amortisation: (energetisch) Degradation: 10% - 13% in 20 – 25 Jahren

28. Si-Solarzellen - Dünnschicht Aufbau: Merkmale: • pin-Design: größere Raumladungszone • amorphes Si: bessere Absorbtion wg. direktem Übergang (andere Materialien möglich!) • stab. Wirkungsgrad: 6% (kommerziell) 9% (Labor) • Starke Degradation im ersten Jahr (25%) • Energetische Amortisation schon nach 3 Jahren

29. Si-Solarzellen - Dünnschicht Herstellung: • Aufbringung des TCO auf Glassubstrat durch Magnetronsputtern (Ionenbeschuss) • PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) von a-Si, Zusetzen von Diboran oder Phosphin für Dotierung, dabei Wasserstoff-Einbau (a-Si:H) • Elektrodenaufbringung durch Siebdruck • polykristallines Si durch andere Prozessführung möglich, aber: schlechtere Absorbtion  light-trapping nötig Vorteile: • Modulgröße nicht beschränkt durch Si-Wafer • Weniger Energieaufwand  Kostengünstigere Herstellung

30. Si-Solarzellen - Zusammenfassung Konventionelle Solarzellen aus mono- und polykristallinem Si: • Wirkungsgrad bis 25% • Amortisationszeit: 4 – 6 Jahre Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Si: • Wirkungsgrad nur bis ~10% • Herstellung billiger • Amortisationszeit: 3 Jahre