Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

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1 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 5/6 Stand: Termin Thema ozent i Wirtschaftliche Lemmer/Heering spekte/energiequelle Sonne Fr verschoben wg. Krankheit i llerheiligen - i Symposium utomobile - isplaytechnik Fr Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer i Kristalline pn-solarzellen Heering Fr Elektrische Eigenschaften Heering i..11. Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer Fr Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer i norganische Lemmer ünnschichtsolarzellen i Organische ünnschichtsolarzellen Lemmer Fr Third generation Photovoltaics Lemmer i Photovoltaische Systeme I Heering Fr Photovoltaische Systeme II Heering i..1. Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien i Passive Sonnenenergienutzung Heering i Solarthermische Kraftwerke I Lemmer Fr..1. Energiespeiche/Solarchemie Heering i Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering i Energieszenarien Lemmer nfang Februar Exkursion Heering/Lemmer

2 otierung a) bb.: a) usschnitt aus dem Periodensystem der Elemente. b) Schema zur p- otierung. c) Schema zur n-otierung. b) p-otierung durch Einbau eines toms mit 3 Valenzelektronen n-otierung durch Einbau eines toms mit 5 Valenzelektronen c)

3 Energieniveaus bei otierung

4 p-n-übergang Wenn p- und n- dotierte Bereiche zusammengeführt werden, kommt es zur iffusion von Ladungsträgern und zur usbildung von Raumladungen. Film über p-n-übergang usbildung von Raumladungszonen

5 Ladungsträgerverteilungen über p-n-übergangp Ladungsträger- und otierungskonzentration über einem symmetrischen abrupten p-n-übergang am Beispiel von Silizium mit =1 16 cm -3 Boratomen/cm -3 im p - Teil und =1 16 cm -3 Phosphoratomen/cm -3 im n-teil

6 eutralgebiete Ladungsträgerneutralität fernab vom Übergang Störstellenerschöpfung: p n P n Thermisches Gleichgewicht Löcherdichte im p-eutralgebiet Elektronendichte im n-eutralgebiet n p n n i Eigenleitungs(Intrinsic)dichte n p = i ( 1 3 1, 5 1 cm ) n = = =,5 1 i p cm cm 4 3 ( 1 3 ) n 1, 5 1 cm i 4 3 n = = =,5 1 cm cm Gleichgewichtsminoritätsträgerdichten außerhalb der RZ für = = 1 16 cm -3

7 Raumladungszone p p >> p n iffusion von Löchern vom p-gebiet ins n-gebiet n n >> n p iffusion von Elektronen vom n-gebiet ins p-gebiet Entstehung ortsfester Raumladungen positiver onatoren der ichte negativer kzeptoren der ichte + im n-gebiet im p-gebiet urch Raumladungen erzeugtes elektrisches Feld der Übergangszone treibt Elektronen vom p-gebiet ins n-gebiet und Löcher vom n-gebiet ins p-gebiet es entsteht ein entgegengesetzter Feldstrom von Minoritäten.

8 iffusionsspannung Gleichgewicht: iffusionsstrom der Majoritätsträger = Feldstrom der Minoritätsträger dn enµ ne = en (für Elektronen) dx dϕ kt dn E = dϕ = dx e n n kt = µ n e kt n kt ϕ( xr) ϕ( xl) U = ln = ln e n e n Beispiel: iffusionsspannung in Si mit: = =1 16 cm -3 n i =1,5 1 1 cm -3 T =3K U =,695V p n i iffusionsspannung ist die maximale Leerlaufspannung einer Solarzelle. Sie wächst mit zunehmender otierung und abnehmender Intrinsicdichte!

9 Fermi-Energie Konstanter Verlauf des Ferminiveaus im thermischen Gleichgewicht Verlauf der Bandkanten und des Ferminiveaus über dem p-n-übergang eu + ( E E ) + ( E E ) = E C F n F V p g C ( EC EF) n = ktln E g = kt ln C V ni V ( EF EV) p = ktln kt E U = ln g e n e i für n << C p << V

10 Poisson-Gleichung des abrupten p-n-übergangsp d i v = ρ de d ϕ e dx ( + p n ) = = + dx εε äherung nach Schottky bei abruptem p-n-übergang: ahezu konstante Ladungsdichte im p- bzw. n-teil der Raumladungszone + für xl < x < p n+ + für < x < xr

11 p-seitige Raumladungszone: Elektrisches Feld de dx e = mit E ( x l ) = εε e E ( x) = ( x x l ) εε n-seitige Raumladungszone: de dx e = m it E ( x r ) = εε e E ( x) = ( x r x) εε verschwindendes Feld in der eutralzone egatives elektrisches Feld mit linearem Verlauf und Maximum bei x= Ex ( + ) = Ex ( ) x= x l r

12 Elektrisches Potential dϕ = Edx Integration über x mit ϕ (x= ) = e ϕ ( x < x < ) = x ( x x ) l l l εε e ϕ ( < x < x ) = + x ( x x) r r r εε Quadratischer Verlauf Feld- und Potentialverlauf über p-n-übergang

13 Weite der Raumladungszone e e U x x x x x x = ϕ( r) ϕ( l) = + = r l r r εε εε x = x Siehe oben! l r Weite: W = xr xl = xr 1+ W = εε U e kt U + = ln e ni Je höher die otierung um so schmaler die Raumladungszone! (Beachte bhängigkeit der iffusionsspannung von der otierung!)

14 Kapazität der Raumladungszone p-n-übergang als Plattenkondensator mit Flächenladungsdichte q = e x = e x = e U r l εε + Bei nlegen einer äußeren Spannung U: U U U Kapazität/Flächeneinheit: C dq eεε = = F du U U + ( ) wächst mit zunehmender otierung und fällt mit zunehmender Sperrspannung U <!

15 p-n-übergang mit Vorspannung Ladungsträgerverteilung bei Polung in urchlassrichtung

16 ichtgleichgewicht in Übergangszone U U U np > < n i + bei Polung in Sperrrichtung bei Polung in urchlassrichtung > Feldstrom iffusionsstrom (kleinere bzw. größere Barriere!) < breiter und hochohmiger - größere Barriere Zone wird { schmaler und widerstandsärmer kleinere Barriere

17 Überschussminoritätsträger Bei geringer Rekombination und schwacher Injektion (Shockley) verändern sich bei nlegen einer urchlassspannung kaum die Konzentrationsgefälle sowie die hohen Feld- und iffusionsströme in der Raumladungszone, so dass weiter gilt: dϕ U U x r kt dn kt dp kt dp = = dϕ = e n e p e p eu eu eu kt kt kt n( r) = p( l) n( r) = n p x p x e e p x p e analog n ( x ) = n e U kt p = ln e p p l p p n eu kt x l Überschussminoritätsträger an den Grenzen der Raumladungszone durch äußere Spannung U gegenüber den Gleichgewichtsdichten angehoben

18 Kontinuitätsgleichung Löcher aus dem p-gebiet (nicht durch Einstrahlung generiert) diffundieren ins n-gebiet der Raumladungszone, wo sie Minoritäten sind. ie resultierende Löcherüberschuss-Konzentration im n-gebiet wird durch Rekombination abgebaut (Im Gleichgewicht: Zuflussraterate = Rekombinationsrate) 1 djp p = R = edx τ p dpn jp = ep dx p p p n = n + d ( p) p mit dx = L p L = p p p mit p ( x ) = τ p e n r n eu kt und px ( ) = L P iffusionslänge der Löcher

19 iodengleichung etto Löcher- bzw. Elektronenstromdichten bei nlegen einer äußeren Spannung U: x eu eu eppn L e p nn kt n kt jp = e 1 e analog jn = e 1 Lp 1 in der RZ Ln bei geringer Rekombination eu kt j = jp + jn = js e 1 Für U > : iffusionsstrom der Majoritätsträger übersteigt den Feldstrom der Minoritätsträger durch bsenken der Barriere von eu auf e(u -U)! p n js = e + = e + n p n n p n p i Lp Ln Ln Lp Sättigungsstromdichte fließt bei Polung in Sperrrichtung, falls U << - kt/e rastischer nstieg des ettostroms bei Vorwärtsrichtung Schnelle Sättigung in Rückwärtsrichtung

20 iodenkennlinie Schaltbild

21 Bänderschema des p-n-übergangs mit Vorwärtsspannung Rot: Gleichgewicht ohne äußere Spannung Barriere von eu auf e(u U) abgesenkt Ferminiveau EF aufgespalten in zwei Quasiferminiveaus EF,e und EF,h ifferenz der Ferminiveaus von p- und n-seite = Vorwärtsspannung Solarzelle: Bestrahlung mit Licht erzeugt Elektron-Lochpaare, senkt die Barriere und bewirkt EF,e>EF,h. Gewonnene Energie/Elektron-Lochpaar = EF,e- EF,h