Sonnenenergie: Photovoltaik. Physik und Technologie der Solarzelle

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1 Sonnenenergie: Photovoltaik Physik und Technologie der Solarzelle Von Prof. Dr. rer. nat. Adolf Goetzberger Dipl.-Phys. Bernhard Voß und Dr. rer. nat. Joachim Knobloch Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme Freiburg i. Br. Mit 124 Abbildungen JD Technische Hochschule dmmäwä Feschbereich Mechanik B.G.Teubner Stuttgart 1994

2 Inhalt 1 Photovoltaik Prinzip der Photovoltaik \ Geschichte der Photovoltaik Bedeutung der Photovoltaik 13 2 Sonnenenergie Strahlungsquelle Sonne Normierte Strahlung 16 3 Grundlagen der Photovoltaik Kristallstruktur und Bändermodell von Halbleitern Bändermodell vierwertiger Halbleiter Elektronen und Löcher im Halbleiter Energiezustände, Fermi - Niveau...* Zustandsdichte der Elektronen und Löcher Thermischer Gleichgewichtszustand Leitungsmechanismen in Halbleitern Eigenleitung, Feldstrom und Beweglichkeit Störstellenleitung Diffusionsstrom, Diffusionskonstante Erzeugung von Ladungsträgern durch Absorption von Licht Absorption in Halbleitern Absorption in direkten Halbleitern Absorption in indirekten Halbleitern Rekombination, Trägerlebensdauer Strahlende Rekombination Auger-Rekombination Störstellenrekombination Rekombination durch Dotierung Grundgleichungen der Halbleiter-Bauelemente-Physik Gleichungen für die Stromdichten Poisson'sche Gleichung Kontinuitätsgleichung 57

3 Inhalt 7 4 P-N-Übergang Grundgleichungen Raumladungszone Potentialdifferenz Elektrisches Feld und elektrisches Potential Raumladungszonenweite und Kapazität Belasteter p-n-übergang P-N-Übergang bei geringer Rekombination und schwacher Injektion Durchlaßcharakteristik und Sättigungsströme 72 5 Physik der Solarzelle Der beleuchtete infinite p-n-übergang Strom-Spannungs-Charakteristik einer infiniten Solarzelle Kurzschlußstrom Leerlaufspannung Füllfaktor Wirkungsgrad Reale Solarzelle Photoströme einer realen Solarzelle Photostrom aus der Basis Photostrom aus dem Emitter Photostrom aus der Raumladungszone Sättigungsströme einer realen Solarzelle Sättigungsstrom aus der Basis Sättigungsstrom aus dem Emitter Ohmsche Widerstände in realen Solarzellen Parallelwiderstand Serienwiderstand Zweidiodenmodell ; Ersatzschaltbild einer realen Solarzelle Einfluß der Ohm'schen Widerstände 93 6 Solarzellen hoher Wirkungsgrade...' Bedeutung des hohen Wirkungsgrades Elektrische Verluste Verluste durch Rekombination 100

4 8 Inhalt Rekombinationsverluste in der Basis Photostrom und Sättigungsstrom aus dem Emitter Einfluß der Basisdotierung Rekombination in der Raumladungszone Ohm'sche Widerstandsverluste Kontäktwiderstand Metall-Halbleiter Ohmsche Verluste im Halbleiter Ohmsche Verluste in den Metallkontakten Optische Verluste Antireflexverfahren Antireflexion mittels dünner Schichten Texturierung Durchstrahlungsverluste Abschattungsverluste durch Kontaktfinger Struktur einer hocheffizienten Solarzelle Technologie der Si - Solarzellen., Technologie zur Herstellung von Silizium Grundmaterial Refraktionierungsverfahren Herstellung von polykristallinem Si-Material Kristallziehverfahren Czochralski (CZ)-Verfahren Zonenziehverfahren > Herstellung von Silizium-Scheiben Polykristallines Silizium-Material Folienmaterialien EFG-Verfahren SSP-Verfahren, Technologien für Si - Solarzellen > Technologien für p-n-übergänge Diffusionstechnologie, Theorie der Diffusion Diffusionstechnologie Oxidationstechnologie Hilfstechnologien Ätz- und Reinigungstechniken Photolithographie 162

5 Inhalt Metallisierung von Solarzellen Strukturierung des Finger-Grids Hochvakuum-Aufdampftechnologie Dickfilmtechnologie Antireflextechnologien Aufbringen von Antireflexschichten Herstellung von texturierten Siliziumoberflächen Sonstige Solarzellen Solarzellen aus kristallinem Silizium Konzentratorzellen MIS-Solarzellen Solarzellen aus polykristallinem Silizium Dünnschicht - Solarzellen...' Solarzellen aus amorphem Silizium Solarzellen aus Gallium-Arsenid Solarzellen aus Cadmium-Tellurid Solarzellen aus Kupfer-Indium-Diselenid Tandem-Solarzellen Photoelektrochemische Solarzellen Analytik und Meßtechnik Strom - Spannungs - Charakteristik Messung der Hellkennlinie Messung der Dunkelstromkennlinie Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Einstrahlung Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Temperatur Spektrale Empfindlichkeit einer Solarzelle Spektrale Empfindlichkeit einer vorderseitig beleuchteten Solarzelle Spektrale Empfindlichkeit einer rückseitig beleuchteten Solarzelle PCVD-Verfahren PCD-Methode Bestimmung des Emittersättigungsstromes 209

6 10 Inhalt Bestimmung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit Kurzschlußstrom-Topographie (ALBIC-Mapping) DLTS-Verfahren Photovoltaische Anwendungen Energiepotential Strahlungsangebot in verschiedenen Zonen Einfluß des Anstellwinkels der Module Herstellung von Modulen Reihenschaltung Parallelschaltung Modulaufbau Photovoltaiksysteme Speichersysteme Einsatzgebiete der Photovoltaik Photovoltaisch versorgte Kleingeräte Photovoltaische Energieversorgung von Häusern Photovoltaisch autarke Versorgung Netzgekoppelte photovoltaische Versorgung Anhang A, Liste der Symbole 228 Anhang B, Physikal. Konstanten, ausgewählte Si-Parameter 230 Sachverzeichnis 231