Solarzellen

1
Solarzellen

• Wolfgang Scheibenzuber,
• Christian Müller

2
Überblick

1. Einleitung - Historie -
   Entwicklung - Sonneneinstrahlung
2. Festkörperphysikalische Grundlagen -
   Bandstruktur - Halbleiter - Absorbtion
   von Licht - Der p-n-Übergang - Anwendung
   auf Solarzelle
3. 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

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

9
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 ?? gt 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
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 Quan
  tenausbeute ? i / ejph (bei Si bis zu 90)
• Thermalisierungsverluste höhere Zustände in
  Bändern relaxieren spontan
• Widerstände reduzieren nutzbare Leistung

23
Grundlagen - Zusammenfassung

• Energiebänder im Halbleiter durch Bandlücke
  getrennt

24
Überblick

1. Einleitung - Historie -
   Entwicklung - Sonneneinstrahlung
2. Festkörperphysikalische Grundlagen -
   Bandstruktur - Halbleiter - Absorbtion
   von Licht - Der p-n-Übergang - Anwendung
   auf Solarzelle
3. 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 lt 1018
  cm-3)
• p-n-Übergang durch Eindiffundieren von Phosphor
• Elektrodenauftragung durch Siebdruck mit Al-Paste
  (800C)

27
Si-Solarzellen - konventionell

• Einkristallin vs.
• teuer
• 15 - 17
• (kommerziell)
• 24 (Labor)
• 30 (2001)
• 5 - 6 Jahre

Herstellung Wirkungsgrad Anteil an der
Produktion Amortisation (energetisch) Degrada
tion

• Polykristallin
• billiger, da Czochralski Prozess entfällt
• 13 - 15
• (kommerziell)
• 20 (Labor)
• (Grund dangling
• bonds und
• Verunreinigungen)
• 57 (2001)
• 4 - 5 Jahre

10 - 13 in 20 25 Jahren
28
Si-Solarzellen - Dünnschicht

• 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

Aufbau
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-SiH)
• 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