Fortgeschrittenenpraktikum II. Bereich: Angewandte Physik. Photovoltaik

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1 1 Fortgeschrittenenpraktikum II Bereich: Angewandte Physik Photovoltaik

2 Solarzellen / FP-Versuch Photovoltaik Stand ( ) 2 A B C D E F G H I A n : B n : C n : D n : Photodiode BPW34, monokristallines Silizium (Zur Eichung bei spektralen Messungen: bekannte spektrale Empfindlichkeit (vgl. Datenblatt)) Solarzelle, polykristallines Silizium Modul, a-si:h (pin), 8 Zellen Modul, a-si:h (pin), 8 Zellen Solarzellen (3), a-si:h (pin) Solarzelle, polykristallines Silizium, montiert auf Peltierelement Solarzelle, GaAs (Zur Eichung der Intensität: bekannte IV Kennlinie (vgl. Datenblatt)) Solarzelle, CdTe Modul unbekannter Bauart (japanischer Hersteller) Solarzelle, monokristallines Silizium Solarzelle, polykristallines Silizium Dünnschicht-Solarzelle, a-si Dünnschicht-Solarzelle, a-si

3 Hinweise FP-Versuch Photovoltaik 3 Interferenz- und Graufilter (teuer, empfindlich): Stoffhandschuhe benutzen! Dünnschichtzellen: Pinzette benutzen oder mindestens sehr vorsichtig handhaben. Nach Einklemmen nicht mehr verschieben. Typische Irrtümer bei der Auswertung: - Diodenqualitätsfaktor > 2; Gründe: Gerade an falschem Bereich (Achtung Serienwiderstand, Shuntwiderstand!) angelegt oder bei Modulen Anzahl Zellen nicht berücksichtigt. - Vergleich mit Theoriewerten : Kennlinienparameter sind schwer mit Literaturwerten zu vergleichen, da sehr stark von der Zelltechnologie bestimmt. Nur generelle Trends sind daran sichtbar (z.b. Zellen mit größerer Bandlücke der HL-Materials zeigen generell höhere Leerlaufspannung etc.). Auswertung der Temperaturabhängigkeit: Die Temperaturabhängigkeit des Sperrsättigungsstromes j 0 ist nur in der Shockley- / kt Gleichung (im wesentlichen) proportional e E G! Denn dabei wird nur der Diffusionsanteil von j 0 berücksichtigt. Wird auch eine thermische Generation von Ladungsträgern in der Raumladungszone berücksichtigt, so kommt ein Driftanteil hinzu mit E G j 0 e E G / 2kT. Man erhält daher im Versuch einen Wert für die Bandlücke im Bereich ( Si) E ( Experiment) < 2 E ( Si) <. G G Näheres dazu in: Handbook of Semiconductors 4 (Device Physics), PHY Auswertung der Beleuchtungsspektren: 2 1 Eine Berechnung in absoluten Einheiten ( mw cm nm ) ist möglich (absoluter Vergleich mit Spektren auf Blatt Solar Simulation im Ordner!), wenn man die Filtertransmissionen und deren Halbwertsbreiten (beiliegend bei den Filtern) berücksichtigt! Dabei legt man die einfache Näherung zu Grunde, dass die spektrale Transmission der Filter kastenförmig verläuft (Breite = HW, Höhe = T) und erhält sehr vernünftige Ergebnisse.

4 Geräte- und Materialliste FP-Versuch Photovoltaik 4 (PV = gehört zum Photovoltaikversuch, FP/DP = FP/DP-Bestand allgemein, * = wird nur in einem Versuchsteil benötigt) PC (beim Versuch) PV Blue Box (Spannungskonverter PC Zellen) PV Beamer-Lampe PV (Halogenlampe + Netzteil FP/DP) Interferenzfilter (Schott) 15 Stck. (+ Stoffhandschuhe) PV Graufiltersatz PV Verschiebetisch (Spindler & Hoyer)* FP Netzteil für Peltierelement 30V/4A (Zentro-Elektrik) FP Solarzelle montiert auf Peltierel. mit Kühlkörper PV Digitalthermometer GTH 1150 (NiCr-NI) PV Multimeter (Unigor 6e, analog bis 1µA) FP Multimeter (digital, Conrad) PV Wasserküvette PV Wärmeschutzfilter (Schott) PV Lüfter 220V PV Eichdiode BPW34 mit Datenblatt PV Solarzellen PV Verbrauchsmaterial: Ersatzlampen Beamerleuchte OSRAM 650W (220V): 3 4 pro Kurs

5 Erforderliche Kenntnisse 5 Festkörperphysik: Strukturen (insbesondere Halbleiter) - optische Eigenschaften (Absorption) - elektronische Eigenschaften (Bändermodell) Elektromagn. Strahlung: Plancksches Strahlungsgesetz Sonnenspektrum (AM1, AM1.5) Farbtemperaturen verschiedener Beleuchtungsquellen Halbleiter: kristalline und amorphe HL Dotierung Ladungsträgerkonzentration Beweglichkeit Driftgeschwindigkeit Lebensdauer Rekombination und Generation HL-Dioden Shockleygleichung Solarzellen: Definition von - Wirkungsgrad - Leerlaufspannung - Kurzschlussstrom - Füllfaktor - spektrale Empfindlichkeit - Quantenwirkungsgrad Aufbau (pn, pin, Schottky-, Tandem, etc.)

6 Inhalt 6 1. Zusammenfassung 2. Einführung 2.1 Ein Überblick über die Nutzungsformen solarer Strahlungsenergie 2.2 Der FP-Versuch Photovoltaik 2.3 Solarzellen 3. Physik der Solarzelle 3.1 Der photovoltaische Effekt 3.2 Kristalline und amorphe Halbleiter 3.3 Theoretische Beschränkung des Wirkungsgrades 3.4 PN- und PIN-Solarzellen 3.5 Strom-Spannungs-Kennlinien 3.6 Definition von Wirkungsgrad, Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom und Füllfaktor 3.7 Serien- und Parallelwiderstand 4. Stichpunkte und Fragen zur Vorbereitung 5. Übersicht der Aufgaben 6. Beschreibung und Anleitung zu den einzelnen Aufgaben 6.1 Messaufbau 6.2 Kennlinienmessung 6.3 Spektrale Messungen 7. Wichtige Hinweise zur Durchführung Anhang Literaturverzeichnis Datenblätter der Eichzelle und Eichdiode Kopien einiger Artikel

7 1. Zusammenfassung 7 In diesem Versuch sollen die Grundbausteine photovoltaischer Anlagen die Solarzellen untersucht werden. Dabei geht es um das grundlegende physikalische Verständnis der Funktionsweise und das Kennenlernen verschiedener Typen von Solarzellen bzw. der zu deren Charakterisierung notwendigen Begriffe. Die Interpretation der Ergebnisse führt auf grundsätzliche Fragen der Festkörper- bzw. Halbleiterphysik zurück. Der photovoltaische Effekt ist schon seit 1839 (Becquerel) bekannt und fand 1958 seine erste Anwendung in der Raumfahrt als Stromversorgung eines Satelliten. Durch die Weiterentwicklung und den Einsatz neuer Materialien insbesondere seit der Energiekrise werden Solarzellen zunehmend auch in terrestrischen Anwendungen eingesetzt. Die Forschung konzentriert sich z.z. auf die kostengünstige Optimierung der kristallinen Solarzellen (überwiegend aus einkristallinem Silizium oder GaAs für Spezialanwendungen) und auf die Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen mit dem Ziel einer großflächigeren sowie weniger material- und energieintensiven Herstellung (stellvertretend sei dafür die Entwicklung von Solarzellen aus amorphem Silizium seit 1977 genannt). Für den FP-Versuch Photovoltaik stehen eine Auswahl von verschiedenen Solarzellen und ein Versuchsaufbau zu deren Untersuchung zur Verfügung. Es sollen Strom-Spannungs-Kennlinien unter unterschiedlichen Bedingungen (Beleuchtungsspektrum, Intensität, Temperatur) aufgenommen werden. Die Messung der Kennlinien erfolgt mit einem rechnergesteuerten Aufbau, wobei der Computer auch gleichzeitig zur graphischen Darstellung bzw. zur Auswertung bzgl. der Kenngrößen Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom, Füllfaktor und Wirkungsgrad dient. Ziel des Versuchs ist es, die Abhängigkeit dieser Größen von den oben genannten Bedingungen für die verschiedenen Solarzellentypen im Prinzip zu verstehen und einen Einblick in die messtechnischen Schwierigkeiten bei deren Bestimmung zu geben. Außerdem werden Abweichungen in den Eigenschaften realer Solarzellen vom idealen Verhalten deutlich (z.b. bei der Bestimmung der Diodenqualitätsfaktoren aus der Hell- oder der Dunkelkennlinie). Eine weitere wichtige Größe zur Charakterisierung von Solarzellen ist der Quantenwirkungsgrad. Seine Abhängigkeit von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts gibt Auskunft über den inneren Aufbau der Solarzelle und wird wesentlich durch die Absorptionseigenschaften des verwendeten Halbleitermaterials bestimmt. Der Quantenwirkungsgrad kann im Versuch durch Lichtselektion mit schmalbandigen Interferenzfiltern bestimmt werden.

8 8 2. Einführung 2.1 Ein Überblick über die Nutzungsformen solarer Strahlungsenergie Zur Nutzung der solaren Strahlungsenergie gibt es eine Vielzahl verschiedener Systeme. Sie lassen sich zunächst grob einteilen in die beiden Bereiche Photovoltaik und solarthermische Systeme. Unter Photovoltaik versteht man die Technik der direkten Umwandlung der Strahlungsenergie des Lichtes in elektrischen Strom mit Hilfe von Solarzellen. Zu den solarthermischen Systemen zählen nicht nur Systeme, die auf die direkte Nutzung der solar erzeugten Wärme abzielen, wie z.b. Sonnenkollektoren (Brauchwasser, Gebäude- u. Schwimmbadheizung) oder die passive Solarenergienutzung in der Gebäudetechnik (Wintergärten etc.), sondern auch solche Systeme, die über den Umweg der Wärme elektrischen Strom erzeugen (Solarturm-, Solarfarmkonzept, Parabolspiegel mit Stirlingmotor, Aufwindkraftwerk...). 2.2 Der FP-Versuch Photovoltaik Mit dem vorhandenen Aufbau ist ausschließlich die messtechnische Untersuchung von Solarzellen vorgesehen. Dies sollte nicht über die mannigfaltigen Probleme hinwegtäuschen, die bei der Weiterverarbeitung der unregelmäßig anfallenden elektrischen Energie in PV-Systemen auftreten ( Systemtechnik ). Dies sind z.b. die Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom zum Zwecke der Netzeinkopplung, die Speicherung in Akkumulatoren, etc. oder die Regelung des Arbeitspunktes zur optimalen Ausnutzung des Solarzellenwirkungsgrades. Solche Aufgabenstellungen sind hauptsächlich Arbeitsbereich von Elektroingenieuren, während an der Solarzellenentwicklung meist Physiker beteiligt sind. Aus diesem Grund wurde beim FP-Versuch das Schwergewicht auf die Charakterisierung von Solarzellen gelegt, während Aufgaben aus dem Bereich Systemtechnik (z.b. Batterielade- und Entladeversuche etc.) nicht vorgesehen sind. 2.3 Solarzellen Solarzellen können einerseits nach verschiedenen Materialien (Silizium, GaAs, u.a.) oder andererseits nach ihrem Aufbau eingeteilt werden (pn-, pin-struktur, Heteroübergänge, Tandemzellen, etc.). Häufig wird nach der Struktur des Materials unterschieden und man spricht von monokristallinen, polykristallinen und amorphen Solarzellen. Letztere unterscheiden sich wesentlich in ihren Eigenschaften von denen der kristallinen Zellen, was durch die großen Unterschiede in den Materialeigenschaften bedingt ist. Die Solarzelleneigenschaften werden insbesondere durch die optische Absorption und die Transporteigenschaften der Ladungsträger des verwendeten Halbleitermaterials bestimmt. Für den Versuch stehen verschiedene Solarzellen aus monokristallinem, polykristallinem und amorphem Silizium und auch eine Zelle aus GaAs zur Verfügung. (Weitere polykristalline Dünnfilmzellen sind angefragt).

9 9 3. Physik der Solarzelle Im Folgenden wird zur Erleichterung des Einstiegs ein kurzer Überblick über wichtige Begriffe und einige wesentliche Zusammenhänge gegeben. Für das tiefere Verständnis wird auf die angegebene Literatur verwiesen. 3.1 Der photovoltaische Effekt Grundlage der direkten Umwandlung der Energie des Lichtes in elektrische Energie ist der photovoltaische Effekt: (1) Absorption eines Photons im Halbleitermaterial (Generation eines Elektron-Loch-Paares) (2) Trennung des generierten Ladungsträgerpaares in einem elektrischen Feld (bevor wieder Rekombination erfolgt). (3) Abführung des so erzeugten Photostromes über eine äußere Kontaktierung. (Metallkontakte und/oder TCO = transparent conductive oxide) Grundsätzlich kann zur Ladungsträgertrennung jedes in einem Halbleiterübergang entstehende Raumladungsfeld genutzt werden (PN-Übergang, PIN-Diode, Metall-Halbleiter- Übergang, Halbleiter-Elektrolyt-Übergang etc.). Aus technologischen Gründen haben sich jedoch bisher hauptsächlich PN- und PIN-Solarzellen durchgesetzt. Daher konzentriert sich die Beschreibung in 3.4 auf diese beiden Typen. 3.2 Kristalline und amorphe Halbleiter Wesentliches Charakteristikum von Halbleitern ist die Existenz einer Bandlücke, welche die besetzten von den unbesetzten Zuständen trennt. Das aus der Festkörperphysik bekannte Bändermodell liefert dafür eine Erklärung, welche streng genommen nur gültig ist für Kristalle mit perfekter Translationssymmetrie, d.h. mit ins Unendliche fortsetzbarer Gitterperiodizität. Die Einelektronen-Schrödingergleichung für das gitterperiodische Potential liefert dann als Lösung die Blochwellen als Eigenzustände und für die Energieeigenwerte Energiebänder, die durch sog. verbotene Zonen (Bandlücken), in denen keine Zustände erlaubt sind, getrennt werden. Im k-raum bedeutet dies, dass die Parabel des freien Elektrons aufgebogen wird und die Funktion E(k) Sprünge an den verbotenen Zonen aufweist (Abb. 1). Abb. 1 ist nur eine Idealisierung: Die für den praktischen Fall kristalliner Halbleiter berechneten Bandstrukturen sind wesentlich komplizierter (s. z.b. Sze: Kap. 1). Wichtig ist dabei vor allem die Unterscheidung zwischen direkten (GaAs) und indirekten (si, Ge) Bandübergängen. Der indirekte Bandübergang führt zu einem langsamen Anstieg der Absorption oberhalb von E g. (Das absorbierte Photon bringt nur einen geringen Impuls mit, der indirekte Absorptionsprozess ist damit unwahrscheinlicher als der direkte, weil noch ein drittes Teilchen, ein Phonon, für den Impulsübertrag benötigt wird).

10 10 Abb. 1: Energiedispersionskurven für (a) freies Elektron und (b) Elektron im periodischen Gitter Während bei realen Siliziumkristallen die Zahl der Defekte klein genug ist, so dass obige Betrachtungen gültig bleiben, ist das Blochtheorem nicht auf amorphe Festkörper übertragbar. Die Elektroneneigenzustände können nicht mehr durch definierte k-werte beschrieben werden. Für die optischen Übergänge bedeutet der Wegfall der k-auswahlregel, dass sich die Absorption ähnlich wie die der direkten Halbleiter verhält. Besonders deutlich wird dies beim Vergleich der Absorption von kristallinem (c-si) und amorphem hydrogenisierten Silizium (a- Si:H): Abb. 2: Wellenlängenabhängigkeit des Absorptionskoeffizienten des kristallinen (c-si) und amorphen hydrogenisierten Siliziums (a-si:h)

11 11 Aufgrund des Wegfalls der periodischen Ordnung ist eine Beschreibung der elektronischen Zustände in amorphen Festkörpern mit dem Bändermodell also nicht sinnvoll. Eine Zustandsdichteberteilung kann jedoch angegeben werden: Abb. 3: Zustandsdichte in einem (a) amorphen und (b) kristallinen Halbleiter (schematisch) Man erkennt, dass weiterhin ausgedehnte Zustände (Bänder) existieren, in der verbotenen Zone jedoch lokalisierte Zustände auftreten, deren Ursache die freien, ungesättigten Bindungen ( dangling bonds ) sind. An die Stelle der Energielücke im kristallinen Halbleiter tritt beim amorphen Halbleiter die sog. Beweglichkeitslücke (im Bereich der lokalisierten Zustände ist die Ladungsträgerbeweglichkeit erheblich kleiner als die in den ausgedehnten Zuständen). Die Größe der Beweglichkeitslücke liegt beim amorphen Silizium bei ca. 1,7 e.v. Das Auftreten einer verbotenen Zone auch in amorphen Halbleitern macht deutlich, dass die Existenz einer Energielücke nicht notwendig an eine periodische Struktur gekoppelt ist. ( Beschreibung mittels LCAO-Methode; Annäherung von einzelnen Atomen zu einem Festkörper). Reines amorphes Silizium (a-si) ist wegen seiner großen Zahl von Defekten nicht für elektronische Anwendungen brauchbar (nicht dotierbar!). Die Defektdichte kann jedoch um Größenordnungen gesenkt werden, indem durch Einbau von % Wasserstoff die freien Bindungen abgesättigt werden ( Defektpassivierung ). Dies bewirkt eine Verschiebung der Defektzustände aus der Energielücke in das Valenzband. hydrogenisiertes amorphes Silizium (a-si:h) kann ebenso wie kristallines (Silizium (c-si) durch Einbau von Donatoren bzw. Akzeptoren dotiert werden und findet heute Anwendung in Solarzellen.

12 12 Abb. 4: Schematische Darstellung der Strukturen von c-si, a-si und a-si-h 3.3 theoretische Beschränkung des Wirkungsgrades Halbleiter mit einer bestimmten Bandlücke E g sind nur in der Lage, Photonen mit einer Energie E hv > E g zu absorbieren, d.h. dass Photonen zu kleiner Energie (E hv < E g ) nicht genutzt werden. Da die in den Bändern photogenerierten Ladungsträger sofort zu den Bandkanten relaxieren, kann nur die Energie E hv = E g voll ausgenutzt werden, der über die Bandlücke hinausgehende zusätzliche Betrag E hv E g wird als Wärme an das Gitter abgegeben. Daraus resultiert eine entscheidende Bedeutung der Größe und Bandlücke für den zu erwartenden Wirkungsgrad der Solarzelle aus dem betreffenden Halbleitermaterial. Dies bedeutet einerseits, dass es eine theoretische Beschränkung des Wirkungsgrades abhängig von der Größe der Bandlücke gibt und andererseits, dass deswegen für die praktische Realisierung nur Halbleiter mit einer Bandlücke von ca. 1 2 ev in Frage kommen. Für den theoretischen Maximalwert wurden Werte um 31% für eine Bandlücke von 1,4 ev berechnet (siehe z.b. Sze; die Werte sind je nach den gemachten Voraussetzungen bei den verschiedenen theoretischen Berechnungen etwas unterschiedlich). Der theoretische Grenzwirkungsgrad kann durch Verwendung von Tandem- bzw. Stapelzellen erhöht werden (Kombination von Zellen mit unterschiedlichen Halbleitermaterialien mit verschiedenen Bandlücken).

13 PN- und PIN-Solarzellen Die höhere Defektdichte im a-si:h Material führt zu einer im Vergleich zum kristallinen Silizium kleineren Diffusionsweglänge (Größenordnung 0,1µm). Während bei kristallinen Zellen Ladungsträger, die außerhalb der Raumladungszone generiert werden, noch in den Bereich des Feldes diffundieren können, kann die direkte Rekombination in amorphen Zellen nur verhindert werden, wenn das Feld über einen größeren Bereich ausgedehnt ist. Dies wird mit einem Aufbau in PIN-Struktur erreicht. Das intrinsische Material sollte dabei eine möglichst geringe Defektdichte und eine hohe Photoleitfähigkeit aufweisen. Abb. 5: Vergleich von PN- und PIN-Solarzelle Die Abbildungen sind nicht maßstäblich zu verstehen: Aufgrund der unterschiedlichen Absorption (a-si:h hat im relevanten Wellenlängenbereich der maximalen Intensität der solaren Strahlung eine um fast zwei Größenordnungen höhere Absorption) benötigt die a- Si:H-PIN-Solarzelle nur eine Gesamtdicke von weniger als einem µm, während für c-si-pn- Solarzellen µm notwendig sind. Aus technischen Gründen sind diese jedoch meist dicker. Bei einer Realisierung mit den in der Halbleitertechnologie üblichen Si-Scheiben Wavern sind dies meist etwa µm. In neueren Entwicklungen mit anderen Materialien (z.b. CuInSe 2,CdTe) wird auch das Ziel von polykristallinen Dünnschichtzellen verfolgt.

14 3.5 Strom-Spannungs-Kennlinien Da die bisher genannten Solarzellen-Typen grundsätzlich wie eine Diode aufgebaut sind, kann die Dunkelkennlinie in erster Näherung durch die Shockleygleichung beschrieben werden: eu kt I = I 0 e 1 14 (Unter welchen Voraussetzungen gilt diese Gleichung?) Im Falle starker Rekombination würde der exponentielle Anstieg nur mit exp(eu/2kt) erfolgen (siehe z.b. Sze Generation-Recombination-Process ). Für reale Dioden und Solarzellen führt man daher den Diodenqualitätsfaktor n ein: eu nkt I = I 0 e 1 n: 1.2 Unter der Annahme der Gültigkeit des Superpositionsprinzips ergibt sich die Hellkennlinie aus der Dunkelkennlinie durch Addieren des Photostroms. Während im Falle amorpher PIN- Solarzellen der Photostrom durch Ladungsträgerdrift bestimmt wird und daher spannungsabhängig ist, ist der Photostrom bei kristallinen PN-Solarzellen über weite Spannungsbereiche praktisch konstant. Man erhält also im Prinzip folgende Gleichung für die Hellkennlinie: eu nkt I = I 0 e 1 I ph wobei I ph (U) für a-si:h PIN-Solarzellen und I ph const für c-si PN-Solarzellen. Dies kann in einem Ersatzschaltbild dargestellt werden, indem der Photostrom als eine Stromquelle aufgefasst wird: I ph Abb. 6: Ersatzschaltbild einer idealen Solarzelle

15 3.6 Definition von Wirkungsgrad, Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom und Füllfaktor Aus der Kennlinie einer Solarzelle können die sog. Kennlinienparameter entnommen werden: 15 Abb. 7: Kennlinie einer Solarzelle Die Spannung bei offenen Klemmen (I=O) wird als Leerlaufspannung U oc (open circuit voltage) bezeichnet Der maximal der Zelle entnehmbare Strom im Kurzschlussfall (U=O) I sc (short circuit current) wird meist als Kurzschlussstromdichte j sc = I sc /A [ma/cm 2 ] angegeben, um Zellen unterschiedlicher Fläche A besser vergleichen zu können. Der Wirkungsgrad ist definiert als Quotient aus abgegebener elektrischer Leistung am Arbeitspult (Punkt, an dem U x I maximal ist = maximum power point) und einfallender Strahlungsleistung. Die Messung sollte dabei unter den folgenden Standardbedingungen durchgeführt werden: Bestrahlungsspektrum AM1 oder AM1.5, Intensität 1000 W/m 2, Zelltemperatur 25. Aus obigem Bild ist ersichtlich, dass die abgegebene Leistung am Arbeitspunkt umso größer wird, je näher sich die Kennlinie der Rechteckform annähert. Dies wird durch den Füllfaktor FF angegeben, welcher als Maß für die Güte der Kennlinie zu verstehen ist: I FF = I mpp sc U U mpp oc

16 16 Der gemessene Wirkungsgrad ist also abhängig von den bei der Messung vorliegenden Bedingungen, wie Spektrum, Intensität und Temperatur. Auch der Einfluss eventueller Kontaktwiderstände ist oft nicht vernachlässigbar. Nicht immer einfach ist auch die exakte Bestimmung der aktiven Zellfläche. In der Praxis (insbesondere bei Modulen) wird meist der Wirkungsgrad bzgl. der Gesamtfläche angegeben. Eine exakte Bestimmung des Wirkungsgrades erfordert einen relativ großen messtechnischen Aufwand. Darauf spezialisierte Labors stimmen ihre Eichungen im internationalen Vergleich ab. Der für eine exakte reproduzierbare Messung erforderliche Aufwand steigt mit der Größe der Zell- bzw. Modulfläche erheblich an (Homogenität der Ausleuchtung, größere Stromstärken, etc.). Ziel des Versuchs kann also nicht eine exakte Bestimmung (Absolutwert) der Wirkungsgrade der vorliegenden Zellen sein, da mit den zur Verfügung stehenden Mitteln nicht die allgemein üblichen Standardbedingungen (AM 1 Spektrum u.ä.) realisier werden können. Es sollen vielmehr eigene Bedingungen definiert werden, unter denen ein reproduzierbares Messen und damit ein Vergleich verschiedener Zellen möglich ist. Dazu ist ein sorgfältiges Experimentieren notwendig, und es werden auch dabei die wesentlichen messtechnischen Probleme bei der Charakterisierung der Solarzellen sichtbar. 3.7 Serienwiderstand und Parallelwiderstand In der Praxis gibt es immer Abweichungen von dem in 3.5 beschriebenen idealen Verhalten. Man kann den unvermeidbaren Bahnwiderstand des Halbleitermaterials durch einen Serienwiderstand und eventuelle Leckströme (Shuntströme) durch einen Parallelwiderstand im Ersatzschaltbild darstellen: R s I ph R sh Abb. 8: Ersatzschaltbild einer realen Solarzelle Die Kennliniengleichung muss dann entsprechend modifiziert werden. e ( U Rs I ) U R I nkt s I = I 0 e 1 I ph + Rsh (Überlegen Sie sich den Einfluss von R s, R sh, n auf die Kennlinie).

17 17 Für amorphe Solarzellen ist diese Formel nur begrenzt anwendbar, weil (a) die funktionale Abhängigkeit des Photostroms von der Spannung nicht bekannt ist und (b) der Serienwiderstand R S im Falle von PIN-Dioden nichtohmisch wird (Sze, pin-diode). Der Einfluss von Serien und Parallelwiderstand wird insbesondere bei der logarithmischen Auftragung der Dunkelkennlinie deutlich: Abb. 8: Dunkelkennlinie einer Solarzelle

18 18 4. Stichpunkte und Fragen zur Vorbereitung A) Festkörperphysik - Kristallstrukturen (insbesondere Halbleiter) - Kristalline und amorphe Festkörper, prinzipielle Unterschiede - Optische Eigenschaften (Absorption, Transmission, Reflexion) - Elektronische Eigenschaften (Bändermodell) B) Elektromagnetische Strahlung - Sonnenspektrum (was bedeutet AM0, AM1, AM1,5...??) - Mit welchen Lichtquellen kann das Sonnenspektrum simuliert werden (Sonnensimulator) - Farbtemperaturen, Spektren verschiedener Lampentypen C) Halbleiterphysik - In welchen physikalischen Eigenschaften unterscheiden sich kristallines und amorphes Silizium? - Herstellungsmethoden von kristallinem und amorphem Silizium? - Ladungsträgertransport: Überlegen Sie sich wichtige Begriffe wie Ladungsträgerkonzentration, Beweglichkeit, Diffusions- und Driftgeschwindigkeit, Lebensdauer, Rekombinations- und Generationsrate. Was ändert sich bei Dotierung, welche Größen sind temperaturabhängig? - Diskussion des PN-Überganges (Shockleygleichung) D) Halbleiterbauelemente und Solarzellen - Überlegen Sie sich die prinzipiellen Unterschiede von Diode, Photodiode, LED, Solarzelle! (Unterschiede im Aufbau der Bauelemente) - Diskussion des pn-übergangs (Grundlage für pn-solarzelle) - Wodurch wird der Wirkungsgrad von Solarzellen prinzipiell beschränkt? - Klären Sie die Begriffe Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, Füllfaktor - Was versteht man unter der spektralen Empfindlichkeit bzw. dem Quantenwirkungsgrad (Definitionen)? - Überlegen Sie sich qualitativ die spektrale Abhängigkeit des Quantenwirkungsgrades - Warum werden a-si:h Solarzellen in pin-struktur aufgebaut?

19 19 5. Übersicht der Aufgaben Messaufbau - Aufbau einer Anordnung zur reproduzierbaren Messung von Hellkennlinien. Kennlinienmessung - Vergleich der Hellkennlinien verschiedener Typen von Solarzellen: Bestimmung von Wirkungsgrad, Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom und Füllfaktor aus der Hellkennlinie - Variation der Temperatur Messung der Temperaturabhängigkeit der Kennlinie einer Solarzelle. Bestimmung der Temperaturkoeffizienten der Kennlinienparameter. - Variation der Intensität: Intensitätsabhängigkeit von Wirkungsgrad, Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom und Füllfaktor. - Simulation des Einflusses eines Serien- oder Parallelwiderstandes. Aus den Kennlinien können graphisch der Serien- und Parallelwiderstand bestimmt werden. Durch externes Zuschalten von Widerständen kann deren Einfluss simuliert werden. - Diodenqualitätsfaktor und Sperrsättigungsstrom aus Hell- bzw. Dunkelkennlinie: Durch log. Auftragung kann n und j o ermittelt werden. Spektrale Messungen - Spektrale Empfindlichkeit und Quantenwirkungsgrad: Messung des spektralen Kurzschlussstromes verschiedener Zellen. Relative und absolute Eichung. Daraus: Berechnung des Quantenwirkungsgrades und der spektralen Empfindlichkeit (exemplarisch). Diskussion der Unterschiede zwischen den einzelnen Zelltypen. - Beleuchtungsspektrum und Transmission der Wärmeschutzfilter: Mit Hilfe der bekannten spektralen Empfindlichkeit der Eichdiode kann das Beleuchtungsspektrum bestimmt werden, aus den Daten mit/ohne Filter/Küvette die entsprechenden Transmissionen. Zusatzaufgabe - Berechnung des Kurzschlussstromes aus Beleuchtungsspektrum und Quantenwirkungsgrad

20 20 6. Beschreibung und Anleitung zu den einzelnen Aufgaben 6.1 Messaufbau Bauen Sie mit den vorhandenen apparativen Mitteln eine Anordnung auf, mit der eine reproduzierbare Messung der Hellkennlinie der Solarzellen möglich ist. Um die Erwärmung der Zellen in Grenzen zu halten, stehen ein Wärmeschutzfilter bzw. eine Wasserküvette und ein Lüfter für die Zellkühlung zur Verfügung. Zur Untersuchung der Reproduzierbarkeit sollten Sie die Beleuchtungsquelle hinsichtlich der zeitlichen Schwankungen der Intensität prüfen. Wichtig für die Messung von Zellen größerer Fläche ist auch die örtliche Homogenität des Beleuchtungsfeldes. (Welche Fehler können dabei insbesondere bei Modulen gemacht werden?). Tipp: Die Temperaturerhöhung durch die Bestrahlung kann man mit der sog. U oc -Methode bestimmen (vgl. Meissner Solarzellen, S. 203). Für Zellen auf der Basis des amorphen Siliziums kann man für die Temperaturabhängigkeit der Leerlaufspannung etwa 2,5 mv/k annehmen. Den Wert für die polykristalline Zelle können Sie bei der Messung der Temperaturabhängigkeit der Kennlinie selbst bestimmen. Eichung der Intensität (1000W/m 2 ): Verwenden Sie dazu die GaAs-Solarzelle, deren Leistungsdaten (η, U oc, j sc ) unter Normbedingungen an einem Sonnensimulator gemessen wurden. Legen Sie den Abstand der Solarzelle zur Lichtquelle auf der optischen Bank fest, indem Sie versuchen, die Werte möglichst gut zu reproduzieren (überlegen Sie sich, welcher Fehler dabei durch die verschiedenen Spektren gemacht wird). Auswertung: U oc -Methode: Beispielkurve für den zeitlichen Verlauf der Leerlaufspannung während der Erwärmung (x-t-schreiber). Welche Erwärmung der Zelle wird mit/ohne Wärmeschutz (verschiedene Anordnungen) erreicht? 6.2 Kennlinienmessung Vergleich der Hellkennlinien verschiedener Typen von Solarzellen: Bestimmen Sie die Wirkungsgrade, Leerlaufspannungen, Kurzschlussstromdichten und Füllfaktoren verschiedener Solarzellen und vergleichen Sie dies (Vorsicht bei der Bestimmung der Flächen!). Vergleichen Sie die vom Programm ausgegebenen Werte für Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung mit Messwerten anderer Messgeräte (Multimeter). Variation der Temperatur: Für die Messung der temperaturabhängigen Kennlinie steht eine polykristalline Solarzelle zur Verfügung, die auf einem Peltierelement montiert ist. Es ist also Abkühlung und Erwärmung möglich. Versuchen Sie einen möglichst großen Temperaturbereich zu erreichen und messen Sie jeweils die Hell- sowie Dunkelkennlinie der Solarzelle bei verschiedenen

21 21 Temperaturen. Welche Abhängigkeit zeigen Wirkungsgrad, Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom und der Füllfaktor? Diskutieren Sie den Einfluss der Temperatur! Auswertung: Bestimmung der Temperaturkoeffizienten der Kennlinienparameter, insbesondere der Leerlaufspannung (wird zur Auswertung bei U oc -Methode benötigt). Aus der Temperaturabhängigkeit des Sperrsättigungsstromes kann die Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials bestimmt werden: Auftragung ln j o gegen 1/kT (siehe unten: Diodenqualitätsfaktor und Sperrsättigungsstrom). Variation der Intensität: Variieren Sie mit den vorhandenen Graufiltern die Intensität. Bestimmen Sie die Intensitätsabhängigkeit von Wirkungsgrad, Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom und Füllfaktor exemplarisch für zwei verschiedene Solarzellen. Simulation des Einflusses eines Serien- oder Parallelwiderstandes: Überlegen Sie sich, wie man aus den Kennlinien (graphisch) den Serien- oder Parallelwiderstand bestimmen kann. Durch externes Zuschalten eines Widerstandes während der Kennlinienmessung können Sie diese simulieren und deren Einfluss studieren. Untersuchen Sie beispielsweise den Einfluss eines Serienwiderstandes auf den Füllfaktor. Um die Widerstandwerte verschiedener Zellen unterschiedlicher Fläche vergleichen zu können, werden die Widerstände gewöhnlich flächenbezogen angegeben [Ωcm 2 ]. Diodenqualitätsfaktor und Sperrsättigungsstrom: Bestimmung von Diodenqualitätsfaktor und Sperrsättigungsstrom aus der Hellkennlinie (Messdaten aus Variation der Intensität übernehmen): Aus der Auftragung des Logarithmus des Kurzschlussstromes gegen die Leerlaufspannung für verschiedene Intensitäten kann man den Diodenqualitätsfaktor und den Sperrsättigungsstrom bestimmen (graphische Darstellung bzw. lineare Regression). Bestimmung von Diodenqualitätsfaktor und Sperrsättigungsstrom aus der Dunkelkennlinie (logarithmische Auftragung des Stromes gegen die Spannung): Daten entweder aus IV- Messprogramm oder genauer mittels manueller Messung mit Hilfe eines empfindlichen Strommessgerätes. Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse mit denen aus der Hellkennlinie. Auswertung: Achtung: Eine Auswertung bzgl. n und j o ist nicht in jedem Falle möglich! Überlegen Sie sorgfältig in welchen Bereich der Kurve Sie ihre Regressionsgerade legen, und ob die Auswertung bei den vorhandenen Messkurven sinnvoll erscheint! Anmerkung: Ein Diodenqualitätsfaktor n 1 ist Ausdruck der Abweichung der realen Diodenkennlinie von der idealen Shockley-Kurve. Der Zusammenhang mit der Solarzellenqualität ist je nach Zelltyp stark unterschiedlich und sollte nicht überbewertet werden.

22 Spektrale Messungen Quantenwirkungsgrad: Es soll der Quantenwirkungsgrad Q(E) verschiedener Solarzellen bestimmt werden (für ein bis zwei Beispiele ebenso spektrale Empfindlichkeit S(λ) berechnen): Q(E) = Zahl der ausgelösten e-h-paare / Zahl der auffallenden Photonen [0...1]. S(λ) = spektrale Stromantwort / einfallende Strahlungsleistung [A/W oder ma/mw] Für die Messung der spektralen Empfindlichkeit bestehen verschiedene Möglichkeiten: (a) Mittels Linsen den Strahlengang so justieren, dass ein kleiner Punkt auf die zu vermessenden Zellen bzw. die Eichdiode abgebildet wird. (Nachteil: Justierung problematisch; Vorteil: Zellen verschiedener Flächen können reproduzierbarer verglichen werden) (b) Realisation eines größeren homogenen Beleuchtungsfeldes. (Nachteil: evtl. Fehler bei größeren Zellen durch Inhomogenitäten; Vorteil: einfacher Aufbau) Achtung: Interferenzfilter mit der verspiegelten Seite zur Lichtquelle! Es ist günstig, zuerst die durch Filtertransmissionen und Spektrum der Lampe gegebenen Normierungsfaktoren für die verschiedenen Filter zu bestimmen. Diese Werte können dann für die verschiedenen Solarzellen zur Normierung benutzt werden. Für die Messung der Intensität steht eine geeichte Photodiode zur Verfügung, deren spektrale Empfindlichkeit bekannt ist (s. Datenblatt). (Achtung kleine Fläche Bedingungen daher so einstellen, dass Strom noch groß genug für die Messung mit Multimeter). Messen Sie die spektralen Kurzschlussströme verschiedener Solarzellen (für die Zusatzaufgabe bei gleichem Aufbau ebenso die Weißlicht-Kurzschlussströme messen). Berechnen Sie daraus den Quantenwirkungsgrad (für alle vermessenen Zellen) und die spektrale Empfindlichkeit (exemplarisch für ein bis zwei Zellen) und tragen Sie diese auf (gewöhnlich: Q(E) und S(λ) ). Beleuchtungsspektrum und Transmission der Wärmeschutzfilter/Küvette: Berechnen Sie aus den gemessenen Daten der Eichdiode den spektralen Verkauf des Beleuchtungsspektrums (Kann man daran eine Planck-Kurve anfitten bzw. eine Farbtemperatur zuordnen? Was würde man erwarten?). Aus den Daten mit/ohne Filter/Küvette kann man die entsprechenden Transmissionen berechnen. Zusatzaufgabe Berechnung des Kurzschlussstromes aus Lampenspektrum und Quantenwirkungsgrad (für ein bis zwei Beispiele gemessener Zellen).

23 23 7. Wichtige Hinweise zur Versuchsdurchführung Solarzellen Zellen bitte vorsichtig handhaben! Die meisten der im Versuch vorliegenden Zellen sind nicht gekapselt, d.h. sie können leicht zerbrechen (Ersatzbeschaffung ist in der Regel mit Aufwand und Kosten verbunden). Vorsicht beim Anlegen von Spannungen! Richtwerte: max. 1,5 V in Vorwärtsrichtung (Ausnahme: Module) max. 0,5 V in Sperrrichtung oder: Maximale Stromdichte Kurschlussstromdichte j sc x 1,5 (vorher mittels Fläche abschätzen: j sc typisch bei kristallinen Zellen: um 20mA/cm 2 j sc typisch bei amorphen Zellen: um ma/cm 2 (Bei Modulen der Zellenanzahl entsprechend höhere Spannung, niedrigere Stromdichte) Eichzelle GaAs-Zelle mit größter Vorsicht behandeln (sehr empfindliche Kontaktierung mit Golddrähten). Plastikschutz vor dem Messen wegdrehen. Die Daten können aus dem zugehörigen Datenblatt entnommen werden. Fläche: 1 cm 2. Kennlinienmessung Auf richtige Polung achten (Vorwärtsrichtung: Photostrom negativ). Die Farben der Buchsen an den Solarzellen haben nicht notwendigerweise etwas mit der p- bzw. n-seite der Zellen zu tun (also vorher prüfen!). Bei Kennlinien mit sehr kleinen Füllfaktoren, Solarzelle auf Kurzschluss prüfen (kleiner Shuntwiderstand!), z.b. durch Messen der Dunkelkennlinie in Sperrrichtung. Spezielle Hinweise zur rechnergesteuerten Messung der Kennlinien: Eingeben der oberen und unteren Schranke für die Spannung: Da die Zellen z.t. sehr empfindlich sind, bei kleinen Werten für die obere und untere Begrenzung anfangen und dann langsam an die jeweiligen Grenzen herantasten. Ganz wichtig: Zuerst maximale Stromdichte abschätzen (Fläche?)! Tipp: Vor der rechnergesteuerten Kennlinienmessung j sc und V oc mittels Multimeter bestimmen! Die Messdaten werden als ASCII-Files in das Arbeitsverzeichnis geschrieben und können mit jedem beliebigen anderen Graphikprogramm dargestellt werden. Sie können daher zur Darstellung der Kennlinien ein Programm ihrer Wahl verwenden.

24 24 Temperaturabhängige Kennlinie: Peltierelement an Netzgerät anschließen (Vorsicht Kabel nicht mit den Solarzellenanschlüssen verwechseln). Je nach Polung wird Abkühlung bzw. Erwärmung erreicht. Das Peltierelement verträgt maximal 8 A, für einen großen Temperaturbereich genügen aber auch schon 4 A (Weiteres siehe Datenblatt). Zum Einregeln der Temperatur Strom auf einen bestimmten Wert regeln. Wicht ist, dass sich die Temperatur während der Messung nicht wesentlich ändert. Spektrale Empfindlichkeit Handhabung der Interferenzfilter: Achtung: - Bitte nur an den Rändern anfassen! Beschichtete Flächen nicht berühren! - Verspiegelte Seite zur Beleuchtungsquelle! Die für die Eichung vorgesehene Photodiode bitte vorsichtig behandeln! Halter für Dünnschichtsolarzellen Für die Kontaktierung ungekapselter Dünnschichtsolarzellen ist ein entsprechender Halter mit Kontaktstiften vorgesehen. Zellen im eingespannten Zustand nicht mehr verschieben! Kontaktstifte nicht zu fest andrücken! Breitbandiger Graufiltersatz Bitte stets darauf achten, dass die Filter beim Versuch bleiben und nicht abwandern sie waren teuer! Damit eure Nachfolger noch etwas von diesen Filtern haben: Bitte sorgfältig handhaben! beim Herausnehmen an den Kanten anfassen nicht mit den Fingern auf die Filter fassen nicht fallen lassen Falls ihr doch mal mit den Fingern auf die Filter kommt: den Betreuer(in) bzw. Herrn Steinle nach Ethanol und Optiktüchern fragen. Damit kann man Fingerabdrücke gut entfernen. Informationen zu den Graufiltern auf den nächsten Seiten

25 Metallic Neutral - Density Filters (BK7) Melles Griot 25 Nominal 550nm (D) Nominal Transmittance (%) 0.1 ± ± ± ± ± ± ± ± Anhang Literatur A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik, Teubner 1994 H.G. Wagemann, H. Eschrich: Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung, Teubner 1994 D. Meissner: Solarzellen, Physikalische Grundlagen und Anwendungen in der Photovoltaik S.M. Sze: Physics of Semiconductor Devices, Kap. 14 W. Herbst, J. Knauth, B. Schneider: Skript: Solarzellen, Univ. Kaiserslautern, 1990 Artikel im Versuchsordner: Heywang, R.D. Plättner: Amorphes Silizium ein neues Halbleitermaterial für Solarzellen, Metall 1/1983, 49 S. Ashok, K.P. Pande: Terrestrial Solar Spectra, Solar Simulation and Solar Cell Short-Circuit Current Calibration: A Review, Solar cells, 11 (1984, K. Bücher, J. Fricke: Solarzellen, Physik in unserer Zeit, 6/(90, 23 J.L. Stone: Photovoltaics: Unlimited Energy from the Sun, PHYSICS TODAY, Sept. 1993

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