Photovoltaik. Institut für Photonische Technologien. Physik und Technologie der Solarzellen. Fritz Falk

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1 Institut für Photonische Technologien Albert-Einstein-Straße Jena PD Dr. rer. nat. habil. F. Falk Tel Photovoltaik Physik und Technologie der Solarzellen Fritz Falk Wahlvorlesung mit Übung WS 2010/11 HS3 Helmholtzweg 3 Dienstag 14:00

2 Inhalt 1 Die Energiewirtschaft und ihre Folgen Energieumsatz gestern, heute und morgen Vorräte an Energieträgern Das CO 2 -Problem Energieszenarien Einsatz von Solarzellen und Anforderungen 7 2 Sonneneinstrahlung 9 3 Grundlagen der Photovoltaik Geschichte der Photovoltaik Grundprinzipien der Solarzellen Die Rolle der Bandlücke Absorptionskoeffizient Kennlinien von Solarzellen Übersicht über Solarzellentypen 24 4 Halbleiter I: Gleichgewicht Kristallstruktur Bandstruktur Dynamik der Kristallelektronen Elektronen und Löcher Fermiverteilung und Ladungsträgerdichte in undotierten Halbleitern Dotierte Halbleiter Leitfähigkeit und Hall-Effekt Raumladungen, Felder, Ströme Inhomogenitäten im Gleichgewicht Oberfläche und äußere Felder p-n-übergang Schottky-Kontakte Heteroübergänge 53 5 Halbleiter II: Nichtgleichgewicht Optische Absorption Ladungsträger im Nichtgleichgewicht: Quasi-Fermi-Niveaus Generation und Rekombination Ladungsträgerbilanz im Nichtgleichgewicht Grundgleichungen Photoleitung Diffusionslängen p-n-übergang unter äußerer Spannung p-n-übergang unter Beleuchtung: Solarzelle Thermodynamik der Solarzelle und maximaler Wirkungsgrad 75 Inhalt F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

3 6 Solarzellentypen I: Waferzellen Einkristalline Waferzellen aus Silicium Aufbau Herstellung Einzelfragen Multikristalline Waferzellen aus Silicium Aufbau und Herstellung im Standardprozess Alternative Herstellungsverfahren 88 7 Solarzellentypen II: Dünnschichtzellen Allgemeiner Aufbau von Dünnschichtzellen Dünnschichtzellen aus amorphem Silicium Aufbau und Herstellung Einzelfragen Dünnschichtzellen aus kristallinem Silicium Allgemeines Nanokristalline Zellen Mikrokristalline Zellen Multikristalline Zellen: Hochtemperaturpfad Multikristalline Zellen auf Glas Quasi-einkristalline Zellen Galliumarsenid-Zellen CdTe-Zellen Aufbau und Herstellung Einzelfragen CIGS-Zellen Aufbau und Herstellung Einzelfragen Zellen aus Polymeren Grätzel-Zelle Verzeichnisse Literatur Abbildungen Tabellen Forschung in Deutschland Firmen in Deutschland 129 Inhalt F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

4 - 1-1 Die Energiewirtschaft und ihre Folgen 1.1 Energieumsatz gestern, heute und morgen Der Umsatz an Primärenergie durch die Menschheit betrug 2008 (Key World Energy Statistics 2010, IEA) weltweit 20 J Deutschland 19 J An elektrischer Energie wurden 2008 verbraucht weltweit 19 J Deutschland 18 J Die Steigerungsraten zwischen 1960 und 1994 betrugen weltweit 3% pro Jahr bei der Primärenergie, 5% pro Jahr bei der elektrischen Energie. Pro Einwohner wurden 2008 an Primärenergie verbraucht weltweit 10 J entsprechend 2,4 kw Deutschland 11 J entsprechend 5,4 kw Mit der Nahrung nimmt der Mensch ca. 120 W auf. Abb. 1.1 zeigt, wie sich der weltweite Energieumsatz im letzten Jahrhundert entwickelt und auf Energieträger verteilt hat. In Abb. 1.2 ist die prognostizierte Entwicklung über die nächsten Jahrzehnte dargestellt. Der Anteil der Energieträger an der Erzeugung elektrischer Energie ist in Tabelle 1.1 zusammengestellt. Etwa 60% der elektrischen Energie wird aus fossilen Energieträgern gewonnen. Abb. 1.1: Energieumsatz weltweit Tab. 1.1: Anteil der Energieträger an der Erzeugung elektrischer Energie weltweit und in Deutschland (2008) Steinkohle Braunkohle Öl Erdgas Kernenergie Wasser Deutschland 21% 24% 1% 13% 24% 4% weltweit 41% 6% 21% 14% 16% 1 Die Energiewirtschaft und ihre Folgen F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

5 - 2 - Abb. 1.2: Prognostizierte Entwicklung des weltweiten Energieumsatzes nach Primärenergiequellen (Shell Studie 1999) In den Industrieländern ist keine erhebliche Steigerung des Energieumsatzes zu erwarten. Der Zuwachs wird im wesentlichen durch die wirtschaftliche Entwicklung in den bevölkerungsreichen Schwellenländern wie China und Indien bedingt sein. Eine offene Frage ist, wie weit Maßnahmen zur effektiveren Energienutzung die Steigerungsraten reduzieren werden. 1.2 Vorräte an Energieträgern Tab. 1.2 zeigt die nach heutiger Kenntnis wirtschaftlich nutzbaren Vorräte und die möglicherweise darüber hinaus überhaupt vorhandenen Vorräte verschiedener Energieträger. Unter der Annahme einer Steigerungsrate des Gesamtverbrauchs von 3% pro Jahr und einem gleichbleibenden Anteil am Energieumsatz ist in Tab. 1.2 aufgeführt, wie lange die Vorräte der einzelnen Energieträger ausreichen. Wenn der Energieumsatz mit der heutigen Steigerungsrate weiter geht und die Energieträger mit unverändertem Anteil eingesetzt werden, so reichen sie noch zwischen 25 und 125 Jahre lang. Insbesondere beim Öl werden Sie noch erleben, dass die Vorräte zur Neige gehen und der Preis explodieren wird. Methanhydrat vom Meeresboden wäre eine sehr ergiebige Energiequelle, wenn es sich technisch nutzen lässt, was zur Zeit noch unklar ist. 1 Die Energiewirtschaft und ihre Folgen F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

6 - 3 - Tab. 1.2: Wirtschaftlich nutzbare (Reserven) und zusätzliche, heute noch nicht wirtschaftlich nutzbare (Ressourcen) Vorräte an Energieträgern und Zeit, bis sie verbraucht sind (s. Text), Stand 2004 (Daten aus: J.P. Gerling, F.-W. Wellmer, Chemie in unserer Zeit 39 (2005), 236) Energieträger heutiger Anteil Reserven J Ressourcen J Reserven Jahre mit Ressourcen Jahre Kohle 0, Öl 0, Gas 0, Gas und Methanhydrat 0, Kernbrennstoff * 0, Kernfusion 0 * Ohne Brütertechnologie 1.3 Das CO 2 -Problem Gemäß Abb. 1.1 beruhen heute etwa 85% des Primärenergieeinsatzes auf der Verbrennung fossiler Rohstoffe, wodurch Kohlendioxid freigesetzt wird (weltweit 9 t im Jahr 2008, also 4,3 t/person). Vor dem Beginn der industriellen Revolution, als noch keine fossile Kohle verbrannt wurde, enthielt die Atmosphäre 280 ppm CO 2, heute enthält sie 390 ppm. Die zeitliche Entwicklung ist in Abb. 1.3 dargestellt. Der CO 2 -Gehalt erhöht sich zur Zeit um 0,4% im Jahr. Bei dieser Steigerungsrate hat er sich in 100 Jahren auf das doppelte des vorindustriellen Wertes erhöht. CO 2 absorbiert Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich um 10 :m, wo das Maximum der thermischen Ausstrahlung bei der Umgebungstemperatur liegt. Dadurch verringert sich die Abstrahlung der Erde und erhöht sich ihre mittlere Temperatur, wenn die sonstigen Bedingungen gleich bleiben: Treibhauseffekt. In Abb. 1.4 ist gezeigt, wie sich seit 1850 die mittlere Temperatur der Atmosphäre auf Bodenniveau verändert hat. Dass die beobachtete Temperaturerhöhung tatsächlich die Folge des CO 2 -Ausstoßes ist, wird kaum mehr bezweifelt (Abb. 1.5). Die Folgen des CO 2 -Ausstoßes auf das Klima quantitativ vorherzusagen, ist schwierig: Zum einen können wir nicht genau vorhersagen, wie die Konzentration des CO 2 in der Atmosphäre vom Ausstoß abhängt. CO 2 wird von den Weltmeeren gelöst aufgenommen und eventuell sedimentiert, sowie in Pflanzen gespeichert. Die Effektivität dieser Senken hängt vom Klima ab. Selbst bei vorgegebenem CO 2 -Gehalt der Atmosphäre ist es extrem schwierig, das Klima vorherzusagen, da viele andere Faktoren nichtlinear eingehen. Ganz wesentlich ist wegen der Reflexion der Sonneneinstrahlung (Albedo) die Wolkenbedeckung, die stark von der Wassertemperatur der Ozeane abhängt. Daher muss ein Klimamodell auch die Ozeane mit ihren Strömungen umfassen. 1 Die Energiewirtschaft und ihre Folgen F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

7 - 4 - Abb. 1.3: Entwicklung des CO 2 -Gehalts der Atmosphäre (aus: Physics today, Aug. 2002) Abb. 1.4: Anstieg der mittleren globalen bodennahen Durchschnittstemperatur (IPCC-Report 2007) 1 Die Energiewirtschaft und ihre Folgen F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

8 - 5 - Abb. 1.5: Modellierung der mittleren Temperatur der Erdatmosphäre unter verschiedenen Annahmen im Vergleich zu Messwerten (aus: IPCC Report 2001) Abb. 1.6: Szenarios der Temperaturentwicklung (aus IPCC Report 2007) Unumstritten ist, dass ein CO 2 -Gehalt von 500 ppm die Temperatur so stark erhöht, dass erhebliche Folgen auftreten. Ein solcher Wert wird für nicht akzeptabel gehalten. Das heißt aber, dass die Vorräte an fossilen Brennstoffen (Tab. 1.2), insbesondere also an Kohle, nicht in den nächsten 100 Jahren verbrannt werden dürfen. Eine CO 2 -Rückhaltung und unschädliche Entsorgung wird erprobt, ist großtechnisch aber schwierig. Eine Temperaturerhöhung von 2 bis 3/C im Mittel wird unvermeidlich sein (Abb. 1.6). 3/C mehr bedeuten für Jena Temperaturen wie heute in Mailand. 1 Die Energiewirtschaft und ihre Folgen F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

9 Energieszenarien Wegen des CO 2 -Problems und auch wegen der begrenzten Vorräte kann die Nutzung der fossilen Energieträger nicht mit der bisherigen Rate gesteigert werden. Wodurch kann die Menschheit ihren Energiebedarf auf andere Weise decken? Zunächst ist alles daran zu setzen, die Steigerungsraten des Energieumsatzes durch effektivere Verwendung zu verringern. Zum zweiten müssen die fossilen Energieträger durch andere ersetzt werden. Durch welche? Der Anteil der Kernenergie durch Spaltung könnte erhöht werden. Wahrscheinlich ist das unproblematischer, als CO 2 freizusetzen. Dennoch ist die Akzeptanz, zum mindesten in Deutschland, gering. Zudem sind Kernkraftwerke in Entwicklungsländern problematisch. Die Vorräte an Uran sind recht begrenzt (Tab. 1.2), jedenfalls wenn keine Brutreaktoren eingesetzt werden. Die Kernfusion hätte zwar ein nahezu unerschöpfliches Potential. Nach über 50 Jahren Forschung wurde aber immer noch kein Durchbruch erzielt. Es ist unklar, ob Kernfusion jemals eine brauchbare Technologie wird. Daher bleiben nur regenerative Energien als Alternative. In Tab. 1.3 ist ihr Anteil an der Stromerzeugung in Deutschland zusammengestellt. Tab. 1.3: Anteil regenerativer Energien an der Stromerzeugung in Deutschland 2009 insgesamt 16% Wasser 3,3% Wind 6,4% Photovoltaik 1,0% Geothermie 0,02% Biomasse 4,4% Müll 0,9% Über ihre zukünftigen Potentiale lässt sich folgendes sagen: Wasserkraft der Flüsse wird schon weitgehend genutzt. Eine Erhöhung ist nur sehr beschränkt möglich. Wellenenergie des Meeres scheint technisch schwer gewinnbar zu sein. Erdwärme könnte verstärkt genutzt werden. Das Problem ist dabei ihre geringe Leistungsdichte. Windenergie hat sich in den letzten fünf Jahren verdreifacht und wird weiter wird verstärkt genutzt werden. Eine weitere Erhöhung der Kapazität wird insbesondere durch Anlagen vor der Meeresküste erfolgen. Verbrennung von Biomasse trägt zum CO 2 -Ausstoß nicht bei, da die Pflanzen das CO 2 vorher der Atmosphäre entnehmen. Energetisch betrachtet handelt es sich um Solarenergie, mit der die Pflanzen Wasser und CO 2 zu organischen, energiereichen Verbindungen umsetzen. Der Wirkungsgrad ist aber gering und beträgt von der auf die landwirtschaftlich genutzten Fläche eingestrahlte Leistung bis zur chemischen Energie von Rapsöl (Biodiesel) 0,14%. Mit 0,4% ist 1 Die Energiewirtschaft und ihre Folgen F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

10 - 7 - die Gesamtnutzung der Biomasse (z.b. über Ethanolgewinnung) etwas günstiger. Die Verwertung von Abfällen aller Art kann aber gesteigert werden. Solarthermie kann ein ganz wesentlicher Energieträger werden und zwar überwiegend für Heizzwecke. Hier könnte die Solarthermie den Bedarf fast völlig decken. Probleme bereitet die erforderliche Speicherung über mehrere Monate. Dafür gibt es Ansätze. Die Photovoltaik wird langfristig den Bedarf an elektrischer Energie zu einem erheblichen Teil decken müssen. Ihr Anteil ist zur Zeit noch sehr klein. Im Prinzip hat sie das erforderliche Potential. Weltweit betrug die Steigerungsrate in den letzten Jahren etwa 50% im Jahr. Allein unter Nutzung von Dachflächen und Fassaden ließen sich in Deutschland 30% der heute erzeugten elektrischen Energie durch Solarzellen gewinnen [Goetzberger, Hoffmann]. Wegen der relativ ungünstigen Einstrahlungsbedingungen in Deutschland (siehe Kap. 2) scheint es sinnvoller, Photovoltaikanlagen nicht hier, sondern in den Wüstengürteln der Erde zu installieren. Die Energie muss dann über einige 1000 km in die Industrieländer transportiert werden. In Frage kommt Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ). Problematisch ist die erforderliche Speicherung über das Zeitintervall eines Tages. Hier könnte die Elektromobilität helfen. Alternativ wird die elektrolytische Umwandlung von Wasser in Wasserstoff diskutiert, der in Rohren transportiert und am Ort des Verbrauchs in Brennstoffzellen wieder in Strom zurück verwandelt werden kann. Die Speicherung kann wie bei Erdgas in unterirdischen Kavernen erfolgen. 1.5 Einsatz von Solarzellen und Anforderungen Der Einsatz von Solarzellen umfasst verschiedene Anwendungsfälle: 1. Große Leistungen in netzgekoppelten Systemen: Wesentlich sind bei dieser Anwendung die Kosten je kwh abgegebener Energie. Da kaum Betriebskosten anfallen, gehen fast allein die Investitionskosten in die Wirtschaftlichkeit ein. Die relevanten Investitionskosten umfassen nicht nur die der Solarzellen selbst, sondern auch die Kosten der Modulherstellung, der Verschaltung, der Montage, der Wechselrichter, der Regelungsvorrichtungen etc. Diese Kosten sind relativ unabhängig vom Zelltyp und zum Teil proportional zur Fläche der Zellen. Je höher der Wirkungsgrad der Zellen ist, desto geringer wird der Anteil dieser Kosten. Deshalb spielt der Wirkungsgrad bei den Energiekosten eine wichtige Rolle. In die Energiekosten geht die Lebensdauer der Anlagen ein. Heute rechnet man bei Solarzellen mit Lebensdauern von mindestens 20 Jahren. Die Kosten von Solarstrom sind zur Zeit höher als die von konventionell erzeugtem Strom. Die sogenannte Netzparität, d.h. die Gestehungskosten für Solarstrom verglichen mit dem Endverbraucherpreis des konventionellen Stroms, wird in den nächsten Jahren erreicht. 2. Mittlere Leistungen in netzfernen Systemen: Hier konkurrieren die Solarzellen schon sehr erfolgreich gegen Dieselgeneratoren. Typisch Anlagengrößen reichen von einigen 100 W bis zu einigen 10 kw. 3. Kleine Leistungen: Zellen in Taschenrechnern, Uhren, etc. Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind weniger wichtig. Wesentlich ist der Preis pro Stück. Solarzellen sind fast konkurrenzlos. Interessant wären in Zukunft flexible Zellen. 4. Weltraumanwendungen: Hier sind wesentlich die Leistung je Masse, die Zuverlässigkeit und die Strahlenresistenz. Die Energiekosten spielen keine Rolle. 1 Die Energiewirtschaft und ihre Folgen F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

11 - 8 - Da die Anforderungen in den verschiedenen Anwendungsgebieten verschieden sind, werden auch unterschiedliche Solarzellentypen eingesetzt waren weltweit Solarzellen mit einer Spitzenleistung von 13,4 GW p installiert, in Deutschland 5,3 GW p. Neu wurden 2008 installiert weltweit 5,6 GW p, in Deutschland 1,5 GW p. Die Produktionsanteile 2009 sind in Tab. 1.4/5 zusammen gestellt. Module kosten auf dem Spotmarkt ,5 bis 2 i/w p, wobei ab 2009 ein starker Preisverfall eintrat. Insgesamt kann eine gemittelte Lernkurve beobachtet werden, nach der die Preise sich um 22% reduzieren, wenn die kumulirte Produktion sich verdoppelt. Tab. 1.4: Produktions- und Marktanteil Solarzellen nach Ländern Länder Produktionsanteil 2009 Marktanteil 2008 Anteil an insgesamt installierter Kapazität 2008 China 38% 0,2% Deutschland 15% 27% 40% Japan 12,5% 4% 16% Taiwan 12,2 USA 4,4% 6% 9% Spanien 3% 48% 25% Tab. 1.5: Produktionsanteil von Solarzellen nach Firmen (2009, Photon International 3/2010) Produktionsanteil Firmen First Solar (USA, D) 8,9% Suntech Power (China) 5,7% Q-Cells (D, Thalheim S-A) 4,8% Sharp (JP) 4,8% Yingli (China) 4,3% JA Solar (China) 4,2% Trina (China) 3,2% Sunpower (Philippinen) 3,2% Gintech (Taiwan) 3,0% Kyocera (JP) 3,2% 1 Die Energiewirtschaft und ihre Folgen F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

12 - 9-2 Sonneneinstrahlung Unmittelbar oberhalb der Erdatmosphäre hat die Sonneneinstrahlung nahezu die Charakteristik einer Schwarzen Strahlung mit einer Strahlungsflussdichte von j AM0 = 1353 W/m 2 und einer Temperatur von 5800 K (Abb. 2.1). Für die spektrale Dichte ist zu beachten, ob sie auf das Energieintervall de = SdT oder auf das Wellenlängenintervall d8 bezogen wird. Auf die Gesamtfläche der Erde strahlen oberhalb der Atmosphäre 17 W ein und damit mal mehr, als die Menschen im Jahr 2000 umgesetzt haben. In der Atmosphäre absorbieren verschiedene Gase wie Wasser, Kohlendioxid, Methan und Ozon einen Teil der Sonnenstrahlung. Bei senkrechtem Sonnenstand und wolkenlosem Himmel (AM1, air mass 1) kommt das Spektrum nach Abb. 2.2 auf Meereshöhe an. Die von der Strahlung zu durchdringende Luftmenge wird mit air mass bezeichnet. Bei einem Sonnenstand, der um den Winkel ( von der Senkrechten abweicht, wird auf Meereshöhe eine air mass AMx mit x = 1/cos( wirksam. x gibt die Verlängerung des Weges durch die Luft an. Der AM-Wert wirkt sich auf das Spektrum des ankommenden Lichts aus. Als Referenzwerte gelten AM1.5, entsprechend einer Zenitdistanz der Sonne von 48, und eine Strahlungsflussdichte von j = 1 kw/m 2. Diese Werte werden für die Kalibrierung des Wirkungsgrades von Solarzellen verwendet. Im Jahres- und im Tageslauf verändert sich die Einstrahlung wegen des Sonnenstandes und der somit zu durchstrahlenden air mass. Bei nicht nachgeführten Solarzellen variiert zudem die auf die Strahlrichtung projizierte Fläche. Abb. 2.3 zeigt, wie die Neigung der Kollektorfläche das Tagesmittel der eingestrahlten Energie im Laufe des Jahres beeinflusst. Offensichtlich sollte ein nicht nachgeführter Kollektor um den Winkel der geographischen Breite von der Horizontalen nach Süden geneigt sein. Eine weitere Reduktion der Einstrahlung erfolgt durch Wolken. In Abb. 2.4/5 ist dargestellt, mit welcher Sonneneinstrahlung auf eine waagrechte Fläche in den verschiedenen Gegenden der Welt gerechnet werden kann. In Mitteleuropa sind das ca. 2 bis 3 kwh/m 2 d entsprechend einer mittleren Leistung von 80 bis 125 W/m 2, in den Wüstenregionen der Subtropen ca. 7 kwh/m 2 d = 300 W/m 2. Die Einstrahlung in Deutschland zeigt Abb Die Einstrahlung in Jena wird von der Klimastation der Fachhochschule seit 1999 im 10-Minuten-Takt gemessen und im Internet zugänglich gemacht (http://mechatronik.mb.fh-jena.de/station). Im Jahr 2009 betrug die Einstrahlung dort 1105 kwh/m 2 oder im Mittel 3,03 kwh/m 2 d = 126 W. In Deutschland kann man mit einer Ausbeute von 800 kwh/kw p a (Norddeutschland) bis 900 kwh/kw p a (Süddeutschland) rechnen [Bine Projektinfo 03/2003], d.h. die mittlere abgegebene Leistung beträgt ca. 10% der installierten Maximalleistung. 2 Sonneneinstrahlung F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

13 Abb. 2.1: Strahlungsflussdichte oberhalb der Erdatmosphäre [Würfel] Abb. 2.2: Strahlungsflussdichte am Erdboden [Hu] 2 Sonneneinstrahlung F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

14 Abb. 2.3: Einstrahlung in Abhängigkeit von der Jahreszeit und der Neigung der Solarzelle [Hu] Abb. 2.4: [Hu] 2 Sonneneinstrahlung F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

15 Abb. 2.5: Mittlere Jahressumme der Globalstrahlung 2 Sonneneinstrahlung F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

16 Abb. 2.6: Mittlere Jahressumme der Globalstrahlung in Deutschland 2 Sonneneinstrahlung F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

17 Grundlagen der Photovoltaik 3.1 Geschichte der Photovoltaik Unter dem photovoltaischen Effekt oder Photoeffekt versteht man die Trennung elektrischer Ladungen beim Bestrahlen von kondensierter Materie mit Licht. Man unterscheidet den äußeren und den inneren Photoeffekt, je nachdem, ob die Ladungen die bestrahlte Materie unmittelbar verlassen oder nicht. In der Vorlesung geht es um den inneren Photoeffekt. Alles, was damit zusammenhängt, wird als Photovoltaik bezeichnet. Geräte, bei denen der Photoeffekt für Messaufgaben eingesetzt wird, heißen Photozellen, wird er zur Energieversorgung eingesetzt, spricht man von Solarzellen. Die erste dokumentierte Beobachtung des Photoeffektes machte 1839 A.E. Becquerel. Er bestrahlte Metallplatten in einem Elektrolyten und beobachtete eine elektrische Spannung wurde die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Selens unter Bestrahlung entdeckt, 1877 die Entstehung einer Photospannung an Selen durch W. Adams und R. Day entdeckte Hallwachs die Aufladung von Metallplatten bei UV-Bestrahlung wies Lenard nach, dass dabei Elektronen aus dem Metall austreten folgerte Einstein aus den Beobachtungen zum äußeren Photoeffekt die Existenz von Photonen mit E = h<. Photozellen auf der Basis von Selen wurden erstmals in den 30iger Jahren für photographische Belichtungsmesser hergestellt. E. Rhein spekuliert in seinem Buch "Du und die Elektrizität" 1940 über Stromgewinnung aus Selen-Solarzellen (Abb. 3.1). R.S. Ohl (Bell Labs) meldet 1941 eine Silicium-Solarzelle zum Patent an. Der Effekt erwies sich aber zunächst als schlecht reproduzierbar. Die erste brauchbare Solarzelle wurde 1953 von D.M. Chaplin, C.S. Fuller und G.L. Pearson bei den Bell Labs auf der Basis von Silicium mit einem Wirkungsgrad von 3% gebaut, die erste Veröffentlichung dieser Autoren stammt von Der erste praktische Einsatz erfolgte 1958 im amerikanischen Satelliten Vanguard I schlug J.J. Loferski CdTe als Material für Solarzellen vor. Die ersten Zellen aus diesem Material wurden 1960 bis 1965 entwickelt. D.A. Cusano erzielte % Wirkungsgrad. GaAs-Zellen wurden von A.R. Gorbat, F.M. Lamorte und G.W. McIver 1962 mit 11% Wirkungsgrad hergestellt. Zellen aus CuInSe 2 (Kupferindiumdiselenid, CIS) wurden erstmals 1975 in den Bell Labs mit 12% Wirkungsgrad gebaut. 3 Grundlagen der Photovoltaik F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

18 Abb. 3.1: E. Rhein, Du und die Elektrizität, S. 174/175 3 Grundlagen der Photovoltaik F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

19 Grundprinzipien der Solarzellen Damit in einer Solarzelle Licht in elektrische Energie verwandelt werden kann, müssen mehrere Grundvoraussetzungen erfüllt werden (Abb. 3.2): 1. Das eingestrahlte Licht muss absorbiert werden 2. Bei der Lichtabsorption müssen Elektronen aus ihrem Grundzustand in Zustände höherer Energie unter gleichzeitiger Erzeugung von Löchern angeregt werden 3. Die angeregten Elektronen und Löcher müssen beweglich sein 4. Die angeregten Ladungsträger müssen eine ausreichende Lebensdauer besitzen 5. Die beweglichen Ladungsträger müssen durch eingebaute elektrochemische Potentiale räumlich getrennt werden 6. Die getrennten Ladungsträger müssen nach außen abgeführt werden 6 p-si + 1,2 3 4 Raumladungszone n-si 5 6 Abb. 3.2: Schema der Vorgänge in einer Solarzelle Alle diese Effekte tragen zur Wirksamkeit der Solarzelle bei und beeinflussen ihren Wirkungsgrad. Da die Solarzellen aus Festkörpern bestehen, zum überwiegenden Teil aus Halbleitern, in seltenen Fällen in Verbindung mit flüssigen Elektrolyten, ist im wesentlichen die Festkörperphysik, speziell die Halbleiterphysik, zuständig. Im folgenden werden die einzelnen Grundvoraussetzungen kurz erläutert, in späteren Kapiteln einzeln untersucht. 1. Lichtabsorption: Wie ihr Name sagt, soll eine Solarzelle mit Sonnenlicht arbeiten (sol, lat. Sonne). Man fordert daher, dass sie möglichst das gesamte Sonnenspektrum absorbiert. Der Absorber in der Solarzelle muss also undurchsichtig sein. Typische Isolatoren wie z.b. Ionenkristalle kommen daher nicht in Frage. Die Dicke des Absorbers muss so bemessen sein, dass möglichst viel Licht absorbiert wird. Da der Absorptionskoeffizient von der Wellenlänge abhängt, ist das unter Umständen nicht im ganzen Spektralbereich der Sonnenstrahlung vollständig zu erreichen. 3 Grundlagen der Photovoltaik F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

20 Anregung: Die Anregungsenergie durch das einzelne Photon des Sonnenlichtes liegt in der Größenordnung von ev. Bei den kommerziell erhältlichen Solarzellen erfolgt die Anregung in einem einzelnen Absorptionsschritt. Daher bewirkt die Absorption eines Photons eine elektronische Anregung und nicht etwa Schwingungsanregungen. Ein Photon bringt ein Elektron aus seinem Grundzustand in einen angeregten Zustand. 3. Beweglichkeit: Die Beweglichkeit der angeregten Ladungsträger muss ausreichend hoch sein. Die Anregung sollte also nicht in einen lokalisierten Zustand erfolgen. 4. Lebensdauer: Damit die Ladungstrennung (Punkt 5) effektiv erfolgen kann, muss der angeregte Zustand eine ausreichend große Lebensdauer haben. Metalle kommen daher als absorbierendes Material nicht in Frage. Hier würde das angeregte Elektron schon innerhalb von ps wieder in den Grundzustand relaxieren. Die Forderungen 1 bis 4 lassen weder Metalle noch typische transparente Isolatoren zu. Übrig bleiben anorganische Halbleiter oder eventuell halbleitende organische Farbstoffe oder Polymere. Durch die Anregung werden Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband gebracht. Im Valenzband bleibt ein Loch zurück. Die Lebensdauer des Elektron-Loch-Paares und die Beweglichkeit sind wesentliche begrenzende Faktoren für den Wirkungsgrad der Solarzelle. Erwünscht sind eine große Lebensdauer und eine hohe Beweglichkeit. 5. Ladungstrennung: Die Solarzelle muss irgend eine Inhomogenität enthalten, die dazu führt, dass sich die durch die Anregung erzeugten Elektronen im Leitungsband und Löcher im Valenzband räumlich trennen. Solche Vorrichtungen nennt man in der chemischen Thermodynamik semipermeable Membranen. Sie lassen bestimmte Spezies durchtreten, andere nicht. In diesem Fall sind die Spezies Elektronen und Löcher. Die Ladungstrennung wird in Halbleitern entweder durch den Einbau eines p-n-übergangs realisiert, oder dadurch, dass man einen Heteroübergang zwischen zwei verschiedenen Halbleitern herstellt. In beiden Fällen entsteht ein Gradient des elektrochemischen Potentials (ein sogenanntes inneres Feld ), der für Elektronen und Löcher verschieden ist und der die Ladungsträger trennt. 6. Elektroden: Damit die getrennten Ladungsträger nach außen abgeführt werden können, muss die Solarzelle auf beiden Seiten mit Elektroden versehen sein. Hier ergibt sich das Problem, dass gut leitende Metallelektroden undurchsichtig sind. Auf der Seite, von der die Solarzelle bestrahlt wird, muss man im Fall einer Metallisierung diese fingerförmig ausführen und hoffen, dass das ausreicht, oder man muss eine transparente Elektrode aufbringen. Dazu eignen sich leitfähige Oxide (TCO, transparent conductive oxide), z.b. Zink- oder Zinnoxid (ITO, indium tin oxide). Ihre Leitfähigkeit ist aber nicht ideal. Oft werden daher beide Methoden kombiniert und auf eine durchgehende TCO-Schicht Metallfinger aufgebracht, die zwar eine gewisse Abschattung verursachen, dafür aber die Verluste durch den elektrischen Serienwiderstand klein halten. Die konkrete Ausführung ist ein Optimierungsproblem. Als Wirkungsgrad einer Solarzelle bezeichnet man das Verhältnis von abgegebener elektrischer Leistung zur eingestrahlten Leistung des Lichtes. Die abgegebene elektrische Leistung hängt vom Belastungswiderstand ab. Er wird für die Bestimmung des Wirkungsgrades so gewählt, dass die abgegebene Leistung maximal ist (Arbeitspunkt der Solarzelle, s. Abschnitt 3.5). Da der Wirkungsgrad von der Lichtintensität und vom Spektrum abhängt, wird zur Messung des Wirkungsgrades ein Sonnensimulator eingesetzt, der ein Spektrum wie das der Sonnenstrahlung auf Meereshöhe liefert. Man sich auf AM1.5 mit 1 kw/m 2 geeinigt. Der Wirkungsgrad hängt auch von der Temperatur ab. Als Referenz gilt 25 C. Typisch ist, dass reale Solarzellen lateral inhomogen sind. Für den Wirkungsgrad spielt daher auch die Fläche 3 Grundlagen der Photovoltaik F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

21 der Solarzelle eine Rolle. In Laborzellen mit 1 cm 2 oder kleiner werden oft deutlich höhere Wirkungsgrade erzielt als auf technisch relevanten Flächen von mehreren 100 cm 2 bis 1,5 m 2. Man unterscheidet zwischen dem Wirkungsgrad der eigentliche Zelle und dem eines Moduls, der mehrere Zellen und deren Verschaltung umfasst. Eine weitere Größe zur Charakterisierung einer Solarzelle ist die Quantenausbeute in Abhängigkeit von der Photonenenergie oder der Wellenlänge. Sie gibt an, wie viele Elektronen die Solarzelle pro eingestrahltes Photon an die Elektroden abgibt, und ist in herkömmlichen Zellen stets <1. Aus der Wellenlängenabhängigkeit der Quantenausbeute lassen sich Rückschlüsse auf die Verlustmechanismen ziehen. Im Zusammenhang mit dem Einsatz von Solarzellen in der Energiewirtschaft wird die Energierückgewinnungszeit (Energierücklaufzeit, Amortisationszeit, energy pay back time) diskutiert. Sie gibt an, wie lange eine Solarzelle in Betrieb sein muss, bis sie so viel Energie geliefert hat wie zu ihrer Herstellung aufgewandt wurde. Erst danach hat sie sich energetisch gelohnt. Für kristallinen Massivzellen wird eine Energierückgewinnungszeit bei Einsatz in Südeuropa von 2 bis 3 Jahren angegeben, für Dünnschichtzellen (CdTe) von 10 Monaten, während man für die Lebensdauer 20 bis 25 Jahre ansetzt [V. Fthenakis, A. Alsema, Prog. Photovolt. 14 (2006), 275]. Der Erntefaktor, der Quotient aus abgegebener zur aufgewandten Energie, ist also deutlich größer als 1. Für manche Solarzellentypen ist die Verfügbarkeit von Rohstoffen (In, Te) für eine Produktion in sehr großem Maßstab ein begrenzender Faktor (A. Feltrin, A. Freundlich, Renewable Energy 33 (2008), 180). 3.3 Die Rolle der Bandlücke Ein prinzipiell den Wirkungsgrad einer idealen Halbleiter-Solarzelle begrenzender Faktor ist die Bandlücke des Absorbers. Man setzt voraus, dass in einer idealen Zelle jedes absorbierte Photon ein Elektron-Loch-Paar erzeugt (Quantenausbeute = 1). Damit das Photon absorbiert werden kann, muss es eine Energie h< haben, die größer ist als die Bandlücke E g des Halbleiters. Alle Photonen, die eine höhere Energie besitzen, regen das Elektron und das Loch in Zustände an, die irgendwo im Leitungs- bzw. Valenzband liegen. Innerhalb von ps relaxiert das Elektron an die Leitungsbandkante und das Loch an die Valenzbandkante. Die dabei freiwerdende Energie wird als Wärme dissipiert. Verfügbar bleibt maximal die durch die Bandlücke gegebene Energie. Ist die Bandlücke zu groß, dann werden alle längerwelligen Photonen nicht absorbiert und gehen verloren. Ist der Bandabstand zu klein, dann wird der Teil der Energie von kurzwelligen Photonen, der darüber liegt, vergeudet (Abb. 3.3). Ist f(<,t)d< die Verteilung der Photonen im Frequenzintervall der Sonnenstrahlung, näherungsweise die Plancksche Verteilung des schwarzen Strahlers (s. Kap. 2), dann wird von der im Lichtstrom enthaltenen Energie E 0 nur E 1 ausgenutzt (3.1) 3 Grundlagen der Photovoltaik F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11

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