Photovoltaik. Grundlagen und Anwendungen. H.- J. Lewerenz H. Jungblut. Springer

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1 H.- J. Lewerenz H. Jungblut Photovoltaik Grundlagen und Anwendungen Mit 295 Abbildungen, 11 Tabellen, zahlreichen Übungsaufgaben und vollständigen Lösungen Springer

2 Inhalt 1 Einführung in die Energiethematik Forschungsaspekte Wirtschaftliche Betrachtungen Physik der Solarzelle Einführung in energieumwandelnde Prozesse an Halbleiterkontakten Vorbetrachtungen Zum Prinzip lichtinduzierter energieumwandelnder Prozesse Überblick zu lichtinduzierten energieumwandelnden Prozessen Grundzüge der angewandten Halbleiterphysik Vorbetrachtungen: Vom Atom zum Festkörper Der nicht entartete Halbleiter Der dotierte Halbleiter Einfluß der Dotierung auf Ferminiveau und effektive Ladungsträgerkonzentration Absorptionsverhalten; Anregungsprozesse Der belichtete Halbleiter Thermalisierung "Rekombinationsprozesse im Volumen Rekombination an Oberflächen Überschußladungsträger und Quasiferminiveaus Gleichrichtende Kontakte Gleichgewichtseinstellung zwischen Systemen mit geladenen Teilchen Kontaktpotentiale und Raumladungszonen Der ideale Metall-Halbleiter-Kontakt Das Anderson-Modell einer Halbleiter-Heterostruktur Photovoltaische Eigenschaften gleichrichtender Kontakte Stromfluß an einer unbelichteten Diode Einfaches Modell für die belichtete Diode Das Gärtner-Modell Anwendungen des Gärtner-Modells... 69

3 XI1 Inhalt 2.6 Sonnenspektrum und Auswahlkriterien für Solarzellen Spektrale Eigenschaften des Sonnenlichts Optimierungsbedingungen für den Wirkungsgrad photovoltaischer Systeme *Jenseits des Anderson-Modells Übersicht Fermi-level pinning Grenzflächendipole und Banddiskontinuitäten Probleme Literatur Solarzellen auf Silizium-Basis Die klassische Silizium-Solarzelle Historisches Das physikalische Konzept der kristallinen Silizium p-n-solarzelle Von Sand zu Silizium: Herstellung von Einkristallen Verunreinigungen und Dotierung Herstellung von p-n-übergängen und Optimierung der Solarzellen Hochleistungssolarzellen mit kristallinem Si Polykristallines Silizium Übersicht Blockgießen mit gerichteter Erstarrung Verfahren zur Herstellung von Siliziumscheiben aus der Schmelze Einfluß von Korngrenzen auf Ladungsträgertransport und Absorption Passivierung von Kristallfehlern in polykristallinem Silizium *Modellbetrachtungen zum Bänderziehverfahren Schottky-, MIS und CIS-Solarzellen Probleme Literatur Dünnschichtsolarzellen Einleitung Stöchiometrie und elektronische Eigenschaften in Verbindungshalbleitern Cadmium-Tellurid-Solarzellen Historisches Physikalische Eigenschaften der CdS/CdTe-Heterostruktur Herstellungsverfahren für CdS/CdTe-Solarzellen Ternäre Chalkopyrite (CuInSei und CuInS2) Vorbetrachtungen

4 4.4.2 Historisches Die physikalische Eigenschaften Herstellungsverfahren für Dünnschichtsolarzellen mit CuInSez und erste Leistungsdaten Präparation und Eigenschaften effizienter Dünnschichtsolarzellen auf CuInSe2-Basis - reale Systeme Effiziente Dünnschichtsolarzellen mit CuInS Die Galliumarsenid-Solarzelle Einleitung Physikalische Eigenschaften von GaAs und Konzept der AlGaAs/GaAs-Solarzelle Herstellungsverfahren Amorphes Silizium Übersicht Herstellung von a-si:h Schichten Physikalische Eigenschaften Elektronische Eigenschaften Rekombinationsprozesse Solarzellen mit amorphem Silizium Historisches Die Dotierung von a-si.h p-i-n-struktur für Solarzellen Bedingungen für leistungsfähige p-i-n-solarzellen Verbesserungen bei der Herstellung von p-i-n-strukturen Technische Realisation von a-si:h p-i-n-solarzellen Entwicklung effizienter Systeme auf der Basis der p-i-n-struktur Heterostrukturen aus amorphem und kristallinem Silizium Probleme Literatur Photoelektrochemische Solarzellen Grundlegende Betrachtungen Einleitung und Historisches Kontaktbildung zwischen Halbleiter und Elektrolyt Ladungstransfer und Stromfluß Regenerative Arbeitsweise photoelektrochemischer Solarzellen Photokorrosion und Stabilitätskriterien Fallstudien an ausgewählten Systemen Stabilität mit Übergangsmetalldichalkogeniden als Photoanoden Effiziente Solarzellen durch Oberflächenmodifizierung von III-V Halbleitern

5 5.2.3 Lichtinduzierte Stabilisierung von CuInSe Sensibilisierungssolarzellen Systeme mit verbessertem Wirkungsgrad Probleme Literatur Kombinierte Systeme Tandem-Solarzellen Grundlegende Betrachtungen Ausgewählte Beispiele Konzentratorsysteme Einleitung Physikalische Effekte bei hoher lichtinduzierter Ladungsträgerkonzentration Solarzellen für Konzentratorsysteme Optische Systeme und Nachführung Probleme Literatur Perspektiven der Photovoltaik Photovoltaik im materialwissenschaftlichen Umfeld Neuartige Verbindungshalbleiter Substitutionelle Verbindungen Interstitielle Verbindungen Geordnete Leerstellenverbindungen Verbindungen mit d- bzw. f-elektronen Schichtgitterhalbleiter mit Gruppe IVB-Metallen Legierungen neuer Materialien Materialien mit reduzierter Dimensionalität Photovoltaische Bauteile mit Halbleiterübergittern Nanokristalline Halbleiter und kolloidale Teilchen Alternative Materialien und Herstellungsverfahren Organische Solarzellen Alternative amorphe Halbleiter Alternative Herstellungsverfahren Probleme Literatur Lösungen Anhang: Bandlücken und Gitterkonstanten einiger Halbleiter. 362 Sachverzeichnis