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 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 Das Solarspektrum AM0 außerhalb der Atmosphäre AM1 Erdoberfläche bei senkrechtem Einfall AM1.5 bei Einfallswinkel von 48 AM1.5: 1000 W/m 2

7 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.

8 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

9 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

10 Solarthermisches Versuchskraftwerk Jülich Arbeitsmedium heiße Luft (bis 700 o C) Generatormedium: Wasserdampf 2153 Heliostaten m 2 entspr. 18 MW maximale Strahlungsleistung 1.5 MW elektrische Leistung Solarturm-Kraftwerke Prof. Dr. Dieter Neher

11 PS 10 Ebene von Sanlúcar la Mayor (Spanien) Arbeitsmedium Wasserdampf Arbeitstemperatur 250 o C 624 Heliostaten a 120 m m 2 entspr. 75 MW maximale Strahlungsleistung 11 MW elektrische Leistung Baukosten 35 M entsprechend 3.1/W Solarturm-Kraftwerke Prof. Dr. Dieter Neher

12 Gemasolar Fuentes de Andalicia (Spanien) Arbeitsmedium geschmolzenes Salz Arbeitstemperatur bis 570 o C Generatormedium Wasserdampf 2650 Spiegel a 120 m m 2 entspr. 318 MW maximale Strahlungsleistung 20 MW elektrische Leistung Herstellungskosten 171 M ( 8.6 /W) Solarturm-Kraftwerke Prof. Dr. Dieter Neher

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

14 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

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

16 Grenzen der Photovoltaik

17 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

18 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

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

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

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

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

23 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)

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

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

26 Beste 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)

27 Beste organische Multischichtzelle Heliatek Pressemitteilung:

28 Solarzellen - Rekordeffizienzen Prof. Dr. Dieter Neher NREL Solar Cell Efficiency Chart Feb 2013

29 Solarzellen - Rekordeffizienzen Prof. Dr. Dieter Neher NREL Solar Cell Efficiency Chart Feb 2013

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

31 Seminarthemen Physik der Stromerzeugung aus Kernkraft Physik der Energiespeicherung Energiebilanz der Erde Physik der Si-Solarzelle Physik der Elektromobilität Organische Halbleiter

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