ENERGIE AUS SONNENLICHT PHYSIK DER ENERGIEKONVERSION

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1 ENERGIE AUS SONNENLICHT PHYSIK DER ENERGIEKONVERSION Dieter Neher Physik weicher Materie Institut für Physik und Astronomie Potsdam-Golm Moderne Themen der Physik Potsdam,

2 Weltweiter Energiebedarf Energiebedarf (weltweit) : W Bedarf = MJ/Jahr Fossile Energieträger: Steinkohle 30 MJ/kg t/y Benzin 32 MJ/l Ɩ/y entsp. (2500 m) 3 Nukleare Energieträger: U MJ/kg 5600 t/y Kernkraftwerk MJ/kg t/y Fusionsreaktor MJ/kg 1700 t/y Materie- Antimaterie MJ/kg 5.5 t/y

3 Treibhauseffekt

4 Sonnenenergie

5 Sonnenenergie Strahlungsleistung der Sonne auf Erdoberfläche (im Mittel) P Sonne = 198 W/m 2 Strahlungsenergie: W Sonne = kj/jahr Energiebedarf (weltweit) : W Bedarf = kj/jahr Elektrische Energie (weltweit) W elekt = kj/jahr Der weltweite Energiebedarf beträgt nur ca % der Energie, die durch Sonnenlicht die Erde erreicht Prof. Dr. Dieter Neher

6 Spectral irradiance (W m -2 ) What is the Sun? 2 extraterrestrial Sun appears to us as black body of Temperature 5800 K 1,5 1 0,5 Blackbody 5800K terrestrial 0 250,0 750,0 1250,0 1750,0 Wavelength (nm) Energy Density per Unit Photon Energy (as a function of photon energy E) 3 de E 2 3 d c 3 exp 1 / kt 1 Total energy density: e S 0 ( E E ) de 2 kbt 3 15 c 4 S 2 1J m 3 2 kb Emission intensity I W S T T 3 2 S S 2 60 c m MA Green, Third generation photovoltaics Prof. Dr. Dieter Neher

7 Das Sonnenspektrum MA Green, Third generation photovoltaics Prof. Dr. Dieter Neher AM1.5G: 930 W/m 2 direkt 1000 W/m 2 global

8 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik in der Formulierung von Kelvin und Planck lautet: Es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die weiter nichts bewirkt als Hebung einer Last und Abkühlung eines Wärmereservoirs. In einem abgeschlossenen System kann die Entropie nicht abnehmen, sie nimmt in der Regel zu. Nur bei reversiblen Prozessen bleibt sie konstant Es gibt keine Wärmekraftmaschine, die bei gegebenen mittleren Temperaturen der Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr einen höheren Wirkungsgrad hat als den aus diesen Temperaturen gebildeten Carnot-Wirkungsgrad.

9 Maximaler Wirkungsgrad Konversion von Strahlungsleistung in mechanische Arbeit: begrenzt durch: Wärmestrahlung des Absorbers Wirkungsgrads des Carnot-Prozesses: 1 T T T 4 TA max S A T S = 5778 K T 0 = 297 K Aus Würfel: Physik der Solarzelle

10 Solarturm-Kraftwerke Solar One Mojave Wüste, Kalifornien Arbeitsmedium Wasserdampf 1818 Heliostaten a 39.3 m m 2 entspr. 71 MW maximale Strahlungsleistung 10 MW elektrische Leistung 7 % im Jahresdurchschnitt Prof. Dr. Dieter Neher

11 Solarturm-Kraftwerke Ivanpah Mojave Wüste, Kalifornien Arbeitsmedium Dampf Heliostaten verteilt auf m 2 (14 km 2 ) entspr. 14 GW Strahlungsleistung 392 MW elektrische Leistung entspr. 2,8 % bezogen auf Gesamtfläche Baukosten 2.2 Milliarden Dollar 5.6 $ pro W Quellen: Internet und Physik Journal 2014

12 Solar-Stirling EuroDish Solar Receiver: Kombination aus Parabolspiegel und Stirling Motor: 9.2 kw Nettoleistung 16 % Wirkungsgrad SunCatcher von Stirling Energy Systems Rekordeffizienz % Maricopa Solar Plant, Arizona 1.5 MW Nettoleistung 26 % Wirkungsgrad > 500 o C Arbeitstemperatur

13 Solarzellen Prof. Dr. Dieter Neher

14 Anorganische Halbleiter Ausbildung delokalisierter Energiebänder durch Überlagerung der atomaren Orbitale Energie Leeres Leitungsband (LB) Vollständig mit Elektronen gefülltes Valenzband (VB)

15 Erzeugung von Elektron-Loch Paaren Leitungsband Valenzband Licht hebt Elektron vom Valanz- ins Leitungsband Dabei entsteht ein schwach gebundenes Elektron-Loch Paar Dieses dissoziiert bei Raumtemperatur schnell in freie Elektronen und Löcher

16 Energy Prof. Dr. Dieter Neher Grundprinzip der Solarzelle e - Strom Leitungsband Elektrode 1 h + Valenzband Elektrode 2 Extraktion der freien Ladungsträger zu separaten Kontakten

17 Grenzen der Photovoltaik

18 Energie Prof. Dr. Dieter Neher Grundlegende Limitierung LB Bandlücke hn<e G hn=e G hn>e G VB Keine Absorption Idealfall Energieverlust durch Thermalisierung

19 The Shockley-Queisser limit J γ,0 T 0 V J T 0 Ω emit Ω s T s J γ,s J γ,emit (V) AM 1.5 recombination J V relaxation not absorbed useful power

20 Das Shockley-Queisser Limit Maximale Konversionseffizienz einer Solarzelle mit einer aktiven Schicht: 33.7 % en.wikipedia.org/wiki/shockley Queisser_limit, Würfel: Physik der Solarzellen

21 Das Shockley-Queisser Limit Prof. Dr. Dieter Neher

22 Sonnenenergie in Deutschland PV in der deutschen Stromproduktion* 4 % im Durchschnitt 30 % im Maximum * 2012 c/o Bernd Rech, HZB

23 Silizium ist ein indirekter Halbleiter Effiziente Absorption erfordert dicke Schichten Si-Photovoltaik dec02/industrial_research.html Prof. Dr. Dieter Neher

24 Dünnschicht-Solarzellen c/o Bernd Rech, HZB Berlin Prof. Dr. Dieter Neher

25 Effizienz von Mehrschicht-Solarzellen Sonnenspektrum und optimale Absorptionsbereiche: Effizienzen von über 30 % nur möglich in Mehrschichtstrukturen mit angepassten Absorptionsbedingungen Graetzel et al., Nature 488, 304 (2012)

26 Organische Halbleiter c/o Christian Cloc, Nanyang Univeristy c/o Sebastian Bange, Univ Potsdam kleine konjugierte Moleküle konjugierte Makromoleküle

27 Präzise Kontrolle der Absorptionseigenschaften c/o Klaus Meerholz, Universität Köln

28 Effizente Polymer-Tandemzelle Aktive Schichten aus Lösung prozessiert Gute Nutzung des Sonnenspektrums 10.6 % Leistungseffizienz im Bauteil 10.6 % Effizienz J. You, Y. Yang et al., Nature Commun. 4, 1446 (2013)

29 A Hybrid Triple Layer Cell 11.7 % Power Conversion Efficiency S. Roland et al.,, Adv. Mater, in print

30 Solarzellen - Rekordeffizienzen Prof. Dr. Dieter Neher NREL Solar Cell Efficiency Chart

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

32 Themen für Hausarbeiten Physikalische Konzepte der Photovoltaik Physik der Si-Solarzelle Organische Halbleiter / Organische Solarzellen

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