Ü ersicht üb ü e b r di d e Vo V r o lesun u g g Sol o arene n rgi g e Third Generation Photovoltaics

Transkript

1 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 8.1 Einleitung 8.2 Grundlegende Thermodynamische Aspekte 8.3 Spektrale Trennung/Tandemzellen/Stapelzellen 8.4 Heiße Ladungsträger 8.5 Stoßionisation 8.6 Zwei-Stufen-Absorption

2 Third Generation Photovoltaics 9.2 Next generation: eher quantitativ als qualitativ. Begriff wird nicht einheitlich benutzt. Unterscheidung nach M. Green: Gen. I: Wafer-basierte einkristalline Solarzellen Gen. II: Dünnschichtsolarzellen (stark reduzierte Kosten, moderate Wirkungsgrade) Gen. III: Wirkungsgradsteigerung um einen Faktor 2-3 Quelle: M. Green

3 3. Gen PV 9.3 Investionskosten in /W können durch niedrige Kosten oder durch hohe Wirkungsgrade reduziert werden Quelle: RWESchottSolar

4 Third Generation Photovoltaics 9.4 Welche neuen Konzepte können zur Wirkungsgradsteigerung eingesetzt werden? Bereits diskutierte Beispiele: Tandemsolarzellen, Konzentratorsolarzelle Eine grundlegendere Frage: Wie groß ist der maximale Wirkungsgrad einer Solarzelle?

5 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 8.1 Einleitung 8.2 Grundlegende Thermodynamische Aspekte 8.3 Spektrale Trennung/Tandemzellen/Stapelzellen 8.4 Heiße Ladungsträger 8.5 Stoßionisation 8.6 Zwei-Stufen-Absorption

6 Thermodynamik des 19. Jahrhunderts 9.6 U: Innere Energie des Systems (für das ideale Gas z.b. U=3/2*nRT) Q: zugeführte Wärme W: am System verrichtete Arbeit Verknüpfung von Q, Q und U erfolgt über den 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung): U = Q + W oder Die Innere Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant. oder Es gibt kein perpetuum mobile erster Art.

7 die Sache mit der Entropie 9.7 warmes Reservoir T W Q Maschine W Nach dem 1. Hauptsatz möglich: Reservoir gibt Q ab und Maschine leistet Arbeit W (geht leider nicht...) 2. Hauptsatz der Thermodynamik: Wünschenswert ist eine mathematische Formulierung, Ein Prozeß, bei dem lediglich Wärme aus einem Reservoir entnommen und vollständig in Arbeit umgewandelt wird, ist unmöglich. ein Maß für die Freiwilligkeit eines Vorgangs Entropie S

8 die Sache mit der Entropie 9.8 z.b. Während der Zustandsänderung von A nach E wird vom System Wärme Q aufgenommen: p Reservoir: T isotherme Expansion A E Infinitesimales Teilstück: (reversible Änderung) ds = δq T rev (reduzierte Wärmemenge) alternative Formulierung des 2. Hauptsatzes: Bei einer freiwilligen Zustandsänderung nimmt die Entropie eines abgeschlossenen Systems zu. oder S>0 V

9 Ein Beispiel für die Entropieerhöhung: Temperaturausgleich 9.9 T 2 =200 T 1 = S 2 = Q T 2 S = 1 Q T 1 S 1 Q T1 1 T 2 > 0.. allein. nach dem ersten HS wäre auch möglich!

10 Bedeutung für den Wirkungsgrad von Solarzellen 9.10 In Flüssen ausgedrückt: Quelle: M.Green Energiefluss E& S verrichtete Arbeit pro Zeiteinheit W& Wärmefluss Q& Entropiefluss Q& / TA zusätzliche Entropiefluss durch Umwandlung S& G

11 Bedeutung für den Wirkungsgrad von Solarzellen 9.11 Q & Energiefluss: Entropiefluss: E& S = W& + Q& Q& S& s + S& G = T A Quelle: M.Green Daher: E& S = W& + TA ( S& s + S& G ) und damit gilt für den Wirkungsgrad: W& T T S& η = E& = T S S E& S A A G 1 (maximal für S & = 0) G

12 Der Carnot-Wirkungsgrad von Solarzellen 9.12 Damit ergibt sich maximal: W& T A TAS& G 300K η = %!! E& = = T = S 6000K S E& S Aber: - ohne Entropieproduktion kein Strahlungsfluß - Carnot-Wirkungsgrad kann nicht erreicht werden Es muss auch die Abstrahlung des Absorbers berücksichtigt werden: Quelle: M.Green

13 Der Landsberg-Wirkungsgrad von Solarzellen 9.13 η = TA T L 93,3% für TA 300K 3 T + 3 T = = S 4 A 4 S für T = T = 300K C A Quelle: M.Green Dieser Ansatz berücksichtigt immer noch nicht die Entropieproduktion durch Absorption und Emission.

14 Der maximale solarthermische Wirkungsgrad für einen Schwarzkörperabsorber 9.14 Quelle: M.Green Für den Wirkungsgrad gilt: 4 TC TA TAS ' G η 1 1 & = 4 TS TC E& S S& ' G ist hierbei die zusätzliche Entropieproduktion jenseits der Absorptions/Emissions- Entropieproduktion Maximaler Wirkungsgrad für T C =2544 K: 85,4 % T C [K] Quelle: P. Würfel

15 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 8.1 Einleitung 8.2 Grundlegende Thermodynamische Aspekte 8.3 Spektrale Trennung/Tandemzellen/Stapelzellen 8.4 Heiße Ladungsträger 8.5 Stoßionisation 8.6 Zwei-Stufen-Absorption

16 9.16 Die Rolle des Spektrums Quelle: P. Würfel -die Fläche des Rechtecks gibt die maximale Energie an, die entnommen werden kann. abs ( ), η ε = G j j E abs E, einf allend

17 Das optimale Bandgap (AM0) 9.17 Quelle: P. Würfel

18 Das optimale Bandgap (AM1) 9.18 Quelle: P. Würfel

19 Die ideale Solarzelle 9.19 Quelle: M.Green Idee: Solarzelle kriegt nur Licht mit der passenden Energie E G, alles andere wird reflektiert und wieder vom Absorber absorbiert.

20 Thermophotovoltaische Energiekonversion: Solarzellen mit Carnotwirkungsgrad 9.20 Quelle: P. Würfel A: Schwarzkörperzwischenabsorber -Konzentrische Solarzellen mit einheitlicher Bandlücke -auf der Oberfläche Interferenzfilter, die nur Photonen mit hν=e G durchlassen -alle anderen Photonen werden zurückreflektiert und reabsorbiert Probleme: Absorption im Interferenzfilter, thermische Stabilität

21 Solarthermische Energiekonversion: Viele unterschiedliche Absorber auf etwas unterschiedlichen Temperaturen 9.21 Quelle: M.Green Hiermit könnte der Wirkungsgrad von 85,4% auf 86,8 % gesteigert werden.

22 Tandem-Zellen-Konzepte 9.22 Der Multicolor-Absorber mit anschliessendem Interferenzfilter-Ansatz ist äquivalent dazu, direkt die monochromatische Strahlung durch Solarzellen in elektrische Energie umzuwandeln. Quelle: M.Green

23 9.23 Damit ergeben sich dann beim unendlichen Tandem wieder die maximalen 86,8%. Quelle: M.Green

24 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 8.1 Einleitung 8.2 Grundlegende Thermodynamische Aspekte 8.3 Spektrale Trennung/Tandemzellen/Stapelzellen 8.4 Heiße Ladungsträger 8.5 Stoßionisation 8.6 Zwei-Stufen-Absorption

25 Heiße Ladungsträger (Hot carriers) 9.25 Quelle: M.Green Idee: Ladungsträger mit großer Überschußenergie abgreifen, bevor sie thermalisieren.

26 Heiße Ladungsträger (Hot carriers) 9.26 Quelle: P. Würfel Schema: Nur heiße Ladungsträger können in einem engen Intervall den absorbierenden Halbleiter verlassen. In den äußeren Halbleitern mit sind sie dann kalt und können dann ohne Energieverlust abgeführt werden.

27 Heiße Ladungsträger (Hot carriers) 9.27

28 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 8.1 Einleitung 8.2 Grundlegende Thermodynamische Aspekte 8.3 Spektrale Trennung/Tandemzellen/Stapelzellen 8.4 Heiße Ladungsträger 8.5 Stoßionisation 8.6 Zwei-Stufen-Absorption

29 Stoßionisation 9.29 Quelle: M.Green

30 Stoßionisation das Konzept der Stoßionisation führt aus fundamentalen thermodynamischen Gründen auf eine ähnliche Situation wie die hot carrier cell. Quelle: P. Würfel - falls Stoßionisation auftritt, muss auch der Umkehrprozess Augerrekombination berücksichtigt werden -gesamte absorbierte Energie bleibt im elektronischen System - keine Thermalisierungsverluste

31 Stoßionisation 9.31 Quelle: P. Würfel - im Prinzip ergibt sich wieder die ideale solarthermische Maschine -keine Verluste ans Gitter, daher kann auch bei E G =0 Energie entnommen werden

32 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 8.1 Einleitung 8.2 Grundlegende Thermodynamische Aspekte 8.3 Spektrale Trennung/Tandemzellen/Stapelzellen 8.4 Heiße Ladungsträger 8.5 Stoßionisation 8.6 Zwei-Stufen-Absorption

33 2-Stufenanregung 9.33

34 2-Stufenanregung 9.34 Quelle: M.Green

35 2-Stufenanregung 9.35 Quelle: M.Green