I.2: Vorlesung Solarenergie: Terminplanung Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2005/2006 Stand:

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1 I.2: Vorlesung Solarenergie: Terminplanung Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2005/2006 Stand: Termin Thema Dozent Di Wirtschaftliche Lemmer/Heering Aspekte/Energiequelle Sonne Fr verschoben wg. Krankheit Di Allerheiligen - Di Symposium Automobile - Displaytechnik Fr Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer Di Kristalline pn-solarzellen Heering Fr Elektrische Eigenschaften Heering Di Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer Fr Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer Di Anorganische Lemmer Dünnschichtsolarzellen Di Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer Fr Third generation Photovoltaics Lemmer Di Photovoltaische Systeme I Heering Fr Photovoltaische Systeme II Heering Di Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien Di Passive Sonnenenergienutzung Heering Di Solarthermische Kraftwerke I Lemmer Fr Energiespeiche/Solarchemie Heering Di Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering Di Energieszenarien Lemmer Anfang Februar Exkursion Heering/Lemmer

2 Wirtschaftliche Bedeutung hoher Wirkungsgrade 25% 35% 13% 30% - im wesentlichen flächenproportionale Kosten Quelle: Goetzberger et al.

3 Einfluß des Wirkungsgrades auf Stromgestehungskosten -Verdoppelung des Wirkungsgrades von 10% auf 20 % erlaubt fünffach teurere Module

4 Wirkungsgraderhöhung Verluste für Si-Zelle mit Wirkungsgrad 15.5 %

5 Verluste einer typischen Si-Solarzelle optisch ohmisch Verluste für Si-Zelle mit Wirkungsgrad 15.5 % rekombinatorisch

6 Minimierung von Rekombinationsverlusten Erinnerung: Strom der Solarzelle jl = je + jrz + jb -hoher Basisstrom, wenn in p-zone generierte Ladungsträger durch Diffusion RZ erreichen große Diffusionslänge erforderlich -große Diffusionslänge bedeutet auch, dass photogenerierte Ladungsträger Rückseitenkontakt erreichen können unerwünschte Rekombination am Rückseitenkontakt

7 Oberflächenrekombination Oberflächenrekombination über Oberflächenzustände Oberflächenrekombination an der Grenzfläche zum Metall

8 Einfluß der Oberflächenrekombination H 200 µm An der Stelle x=h: d( n) Sn n= Dn dx L n [µm] -sofern L n doppelte Basisdicke übersteigt, wird I SC durch Oberflächereko. bestimmt

9 Unterdrückung der rückseitigen Oberflächenrekombination Back-Surface-Field p+ Metall Nichtflächige Kontaktierung/ Passivierung der Oberfläche/BSF -Einbau einer sehr hoch dotierten p+-schicht führt zu einem pp+-übergang -Reduktion der Kontaktfläche auf < 5% resultierendes E-Feld treibt e s in Basis zurück (elektrischer Spiegel) - Reduktion auf S n < 100 cm/s - ebenso Passivierung des Emitters

10 Rolle der Sättigungsstromdichte I 0 V OC I L = UT ln( + 1) I 0 mit U T = kt q Reduktion der Sättigungsstromdichte führt zu einer Erhöhung der Open-Circuit-Spannung und damit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades Sättigungsstromdichte in der idealen Zelle: 2 qni Dn I0, Basis = NALn I0 = I0, Basis + I0, Emitter mit 2 qni Dp I0, Emitter = NDLp

11 Erhöhung von I 0 durch Oberflächenreko. Unter Berücksichtigung von Oberflächenrekombinationseffekten modifizieren sich die Sättigungsströme: I 2 qni Dn 0, Basis = A n N L G F S = D L n n

12 Erhöhung von I 0 durch Oberflächenreko. -ähnlich im Emitter, durch Hochdotierung aber komplizierter

13 Verluste einer typischen Si-Solarzelle optisch ohmisch Verluste für Si-Zelle mit Wirkungsgrad 15.5 % rekombinatorisch

14 Minimierung von Ohm schen Verlusten R 1 : Widerstand Metall-Halbleiter- Kontakt Rückseite R 2 : Widerstand der Basis R 3 :Lateralwiderstand Emitter R 4 :Widerstand Metall-Halbleiter Kontakt am Gitterfinger R 5 : Widerstand Gitterfinger R 6 : Widerstand Sammelbus

15 Minimierung von Ohmschen Verlusten R 1 : Widerstand Metall-Halbleiter- Kontakt Rückseite R 2 : Widerstand der Basis R 3 :Lateralwiderstand Emitter R 4 :Widerstand Metall-Halbleiter Kontakt am Gitterfinger R 5 : Widerstand Gitterfinger R 6 : Widerstand Sammelbus

16 Ladungstransport am Metall-Halbleiter-Kontakt Quantenmechanisches Tunneln Thermionischer Effekt

17 Kontaktwiderstand -bei praktisch vorliegenden Dotierungswerten und Elektrodenmaterialien ist der Kontaktwiderstand zu vernachlässigen

18 Minimierung von Ohmschen Verlusten R 1 : Widerstand Metall-Halbleiter- Kontakt Rückseite R 2 : Widerstand der Basis R 3 :Lateralwiderstand Emitter R 4 :Widerstand Metall-Halbleiter Kontakt am Gitterfinger R 2 ρ = Sid A (ebenfalls vernachlässigbar) R 5 : Widerstand Gitterfinger R 6 : Widerstand Sammelbus

19 Minimierung von Ohmschen Verlusten R 1 : Widerstand Metall-Halbleiter- Kontakt Rückseite R 2 : Widerstand der Basis R 3 :Lateralwiderstand Emitter R 4 :Widerstand Metall-Halbleiter Kontakt am Gitterfinger R 5 : Widerstand Gitterfinger R 6 : Widerstand Sammelbus

20 Lateralwiderstand zwischen Gitterfingern Integration ergibt Verlustleistung: d 2 2 d R d P = j lr = j l l R 3 R d = 6l (ist relevant) =R 3

21 Minimierung von Ohmschen Verlusten R 1 : Widerstand Metall-Halbleiter- Kontakt Rückseite R 2 : Widerstand der Basis R 3 :Lateralwiderstand Emitter R 4 :Widerstand Metall-Halbleiter Kontakt am Gitterfinger R 5 : Widerstand Gitterfinger R 6 : Widerstand Sammelbus

22 Widerstand Kontaktfinger/Sammelbus R 6 R 5 R 5 l = ρ met 3aL (beide relevant) R 6 lb = ρmet 6aL B Minimierung der Ohmschen Verluste: a groß, d klein viele Finger, große Flächen

23 Aber: Abschattungsverluste/Minimierung von optischen Verlusten - Kompromiss zwischen Abschattung und und ohmschen Verlusten - Verwendung von spitz zulaufenden Fingern

24 Minimierung von Ohmschen Verlusten R 1 : Widerstand Metall-Halbleiter- Kontakt Rückseite R 2 : Widerstand der Basis R 3 :Lateralwiderstand Emitter R 4 :Widerstand Metall-Halbleiter Kontakt am Gitterfinger R 5 : Widerstand Gitterfinger R 6 : Widerstand Sammelbus

25 Verluste einer typischen Si-Solarzelle optisch ohmisch Verluste für Si-Zelle mit Wirkungsgrad 15.5 % rekombinatorisch

26 Minimierung von optischen Verlusten Reflexion an einem Brechungsindexsprung E i E r E t n n R = n + n x Bsp.: Si-Oberfläche λ=600 nm n 4 -Spiegelung am Rückseitenkontakt - besser: diffuse rückseitige Reflexion R = = % Reflexion!!

27 Minimierung von optischen Verlusten Reduktion der Reflexionsverluste durch Antireflexschichten:

28 Texturierung der Oberfläche -Herstellung von invertierten Pyramiden durch spezielle Ätzprozesse Reduktion der Gesamtreflexion von AM 1,5 Strahlung: 35 % ( nacktes Si) 10 % (Texturierung) 3 % (AR-Beschichtung)

29 Verluste einer typischen Si-Solarzelle...und jetzt zu anderen Konzepten, die sich damit beschäftigen, diesen großen Block zu verkleinern. optisch ohmisch Verluste für Si-Zelle mit Wirkungsgrad 15.5 % rekombinatorisch

30 Optische Verluste Verluste für Si-Zelle mit Wirkungsgrad 15.5 % E G (ev)

31 Tandem-(Stapel-)solarzellen

32 Verschaltung von Tandemsolarzellen Zweikontaktzellen: keine zusätzliche elektrischen Kontakte - Spannungen der Einzelzellen müssen sich addieren npnp

33 Verschaltung von Tandemsolarzellen Zweikontaktzellen: keine zusätzliche elektrischen Kontakte - Spannungen der Einzelzellen müssen sich addieren npnp - Stromanpassung erforderlich (nur suboptimal möglich)

34 Vierkontakttandemsolarzellen

35 Vierkontakttandemsolarzellen

36 Von der Tandemzelle zur Tripelzelle

37 Konzentratorzellen Idee: teure Zellen, billige Optik und Mechanik

38 Konzentratorzellen: Wirkungsgraderhöhung I SC wächst proportional zu C V OC I L = UT ln( + 1) I 0 Wirkungsgrad: η = CISCVOC ( C)* FF CP L ln( C)

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40 Konzentratorzellen - Nachführung erforderlich, da nur direktes Licht konzentriert wird