Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich. Photovoltaik

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1 Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich Photovoltaik

2 Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich Photovoltaik Solarstrahlung und Halbleitereigenschaften Solarzellenkonzepte und Aufgaben mit 132 Abbildungen und 20 Übungsaufgaben

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Hans-Günther Wagemann Studium der Physik (Diplom 1965, Promotion 1970 TU Berlin), Zuverlässigkeitstests von Satellitenelektronik (Hahn-Meitner-Institut Berlin ), Lehrstuhl für Halbleitertechnik (TU Berlin ), Arbeiten auf den Gebieten der Silizium-Bauelemente, zahlreiche Fachveröffentlichungen und Lehrbücher Dr.-Ing. Heinz Eschrich Studium der Elektrotechnik (Diplom 1987, Promotion 1992 TU Berlin), Herstellung von Silizium-Solarzellen (Hahn-Meitner-Institut Berlin ), Angestellter Robert Bosch GmbH Halbleiterwerk Reutlingen (seit 1994), Fachveröffentlichungen und Patente auf dem Gebiet der Halbleitertechnik 1. Auflage Juni 2007 Alle Rechte vorbehalten B.G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007 Der B.G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts gesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläs sig und straf bar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzun - gen, Mikro ver filmungen und die Ein speiche rung und Verarbeitung in elek tro nischen Sys temen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Strauss Offsetdruck, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

4 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Symbole V IX 1. Einleitung Geschichtliche Entwicklung der Photovoltaik 3 2. Die Solarstrahlung als Energiequelle der Photovoltaik Strahlungsquelle Sonne und Strahlungsempfänger Erde Die Sonne als Schwarzer Strahler Leistung und spektrale Verteilung der terrestrischen Solarstrahlung Halbleitermaterial für die photovoltaische Energiewandlung Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Festkörper Photovoltaischer Grenzwirkungsgrad Beschreibung der Ladungsträgergeneration durch Absorption von Strahlung Grundlagen der Halbleitertechnik für Solarzellen Überschussladungsträgerprofil in homogenem Halbleitermaterial Strategien zur Trennung der generierten Überschussladungsträger Reflexionsverluste Grundlagen für Solarzellen aus kristallinem Halbleitermaterial Die Halbleiterdiode als Solarzelle Grundmodell einer kristallinen Solarzelle Elektronenstrom Löcherstrom Gesamtstrom Spektrale Empfindlichkeit Bestrahlung mit einem Standardspektrum Technische Solarzellen-Parameter Das Ersatzschaltbild einer kristallinen Solarzelle Grenzwirkungsgrad einer Dioden-Solarzelle aus Silizium 59

5 VI Inhaltsverzeichnis 5. Monokristalline Silizium-Solarzellen Diskussion der spektralen Empfindlichkeit Temperaturverhalten der Generatoreigenschaften Parameter einer optimierten c-si-solarzelle Kristallzüchtung Präparation Hochleistungs-Solarzellen Degradation der Solarzelleneigenschaften beim Einsatz im Weltraum (radiation damage) Polykristalline Silizium-Solarzellen Aufbereitung des Ausgangsmaterials zum SGS-Silizium Vergleich der Herstellungsverfahren Kokillenguss-Verfahren für multikristalline Silizium-Blöcke (mc-si) Modell der Korngrenze im multikristallinen Silizium Berechnung der spektralen Überschussladungsträgerdichte Zweidimensionales Randwertproblem der Photostromdichte eines einzelnen Mikrokristalliten Bewertung von spektraler Empfindlichkeit und Photostromdichte Präparation Solarzellen aus Verbindungshalbleitern Vergleich der Solarzellenmaterialien Silizium und Galliumarsenid Konzept der GaAs-Solarzelle mit AlGaAs-Fensterschicht Modellrechnung zur AlGaAs/GaAs-Solarzelle Kristallzüchtung Flüssigphasen-Epitaxie für GaAs-Solarzellen Präparation von GaAs-Solarzellen mit LPE Gasphasen-Epitaxie der III/V-Halbleiter zur Abscheidung dünnster Schichten Stapel-Solarzellen aus III/V-Halbleiter-Material Konzentrator-Technologie mit III/V-Stapelzellen Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium Eigenschaften des amorphen Siliziums Dotieren des amorphen Siliziums Physikalisches Modell der a-si:h-solarzelle Dunkelstrom 149

6 Inhaltsverzeichnis VII Photostrom Präparation Verringerung der Degradationseffekte Herstellung von a-si:h-solarzellen Alternative Solarzellen-Konzepte Bifacial-MIS-Solarzelle aus kristallinem Silizium Solarzellen aus Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe 2 ) a-si:h/c-si-solarzellen Die Kugelelement-Solarzelle Solarzellen aus organischen Halbleitern Halbleiter aus organischen Molekülen Solarzellen aus organischem Werkstoff Farbstoff-Solarzellen (engl.: dye solar cells) Solarzellen der 3. Generation Ausblick 183 Anhang A Rechnungen und Tabellen 185 A.1 Lösung des Integrals zur Berechnung des Grenzwirkungsgrades 185 A.2 Lösung der Diffusionsgleichung 187 A.3 Das Standardspektrum AM1.5global 193 A.4 Der Absorptionskoeffizient von Silizium für T=300 K 194 Anhang B Übungsaufgaben 195 Aufgabe Ü 2.1 zum Kap. 2 AM-Werte unterschiedlicher Orte in Europa 195 Aufgabe Ü 2.2 zum Kap. 2 Abschätzung der Solarkonstanten E 0 mit einfachen Mitteln 197 Aufgabe Ü 2.3 zum Kap. 2 Abschätzung des AM(1,5)-Wertes für Berlin 200 Aufgabe Ü 2.4 zum Kap. 2 Tägliche Sonnenbahn und solare Bestrahlungsstärke sowie Tages- und Jahressummen der Sonnenenergie auf einer Horizontalfläche an einem Ort wie Berlin 201 Aufgabe Ü 3.1 zum Kap. 3 Dember-Solarzelle 208 Aufgabe Ü 3.2 zum Kap. 3 Zweidimensionale numerische Lösung der Differentialgleichung der Ladungsträger-Diffusion 212 Aufgabe Ü 3.3 zum Kap. 3 Analytische Lösung der partiellen Differentialgleichung der Elektronen- -leitenden Silizium-Scheibe der Größe B H unter solarer Beleuchtung 217 Aufgabe Ü 5.1 zum Kap. 5 Analyse von Silizium-Solarzellen 219

7 VIII Inhaltsverzeichnis Aufgabe Ü 5.01 zum Kap. 5 Messung der Generator-Kennlinie 221 Aufgabe Ü 5.02 zum Kap. 5 Messung der spektralen Empfindlichkeit 223 Aufgabe Ü 5.03 zum Kap. 5 Messung der Sperrschicht-Kapazität von Solarzellen 226 Aufgabe Ü 5.04 zum Kap. 5 Bestimmung des Dioden-Sperrsättigungsstromes I 0 durch Messungen von Kurzschluss-Strom I ph (E) und Leerlauf-Spannung U L (E) bei jeweils zwei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken E 1 und E Aufgabe Ü 5.05 zum Kap. 5 Bestimmung des parasitären Serienwiderstandes R s durch Errechnung der Tangente im Leerlaufpunkt U L =U(I=0) nach vorheriger Bestimmung des Sättigungssperrstromes I Aufgabe Ü 5.06 zum Kap. 5 Bestimmung des parasitären Parallelwiderstandes R P durch Berechnung der Tangente im Kurzschlusspunkt I K =I(U=0) nach vorheriger Bestimmung von R S 233 Aufgabe Ü 5.07 zum Kap. 5 Berechnung des Diffusionskoeffizienten der Ladungsträger in Basis und Emitter 235 Aufgabe Ü 5.08 zum Kap. 5 Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger der Basis 236 Aufgabe Ü 5.09 zum Kap. 5 Bestimmung der Diffusionslänge des höher dotierten Bereiches 238 Aufgabe Ü 5.10 zum Kap. 5 Externer Quantenwirkungsgrad Q ext und als Rekonstruktion 239 Aufgabe Ü 5.11 zum Kap. 5 Generator-Kennlinie I(U) als Rekonstruktion aus den Halbleiterparametern 242 Aufgabe Ü 7.1 zum Kap. 7 Ultimativer Wirkungsgrad einer Sechsfach-Stapel- 248 Anhang C Technologische Übungen 252 C1 Einfache Technologie von Silizium-Solarzellen an der TU Berlin 252 C2 Herstellung einer Farbstoff-Solarzelle mit einfachsten Mitteln 256 Literatur 258 Stichwortverzeichnis 263 Verzeichnis der Tafeln Detektoren zur Vermessung der terrestrischen Sonnenstrahlung 17 Zusammenhänge zwischen den wichtigsten photoelektrischen Größen 28 Strategien zur Trennung von Überschussladungsträgerprofilen 40 Messung der spektralen Empfindlichkeit 73 Material- und Energieaufwand für die Solarzellen-Herstellung aus Silizium 95 Messung der Generator-Kennlinie in kalibrierter Bestrahlung AM(1,5) 138

8 Symbole a,a Gitterkonstante / nm A Fläche / cm 2 B magnetische Flussdichte / Vs/m 2 c 0, c (Vakuum-)Lichtgeschwindigkeit (2, m/s) d Dicke / cm d ba, d em, d ox, d SZ Basis-/Emitter-/Oxid-/Solarzellen-Dicke / cm d i Dicke der intrinsischen Schicht / cm D Diffusionskonstante / cm 2 /s E Strahlungsleistungsdichte, Bestrahlungsstärke / W/cm2 E elektrische Feldstärke / V/cm E e0 Solarkonstante ( (1,367 0,007) kw/m 2 ) f Abschwächungsfaktor; Verdünnungskoeffizient / - (21, ) FF Füllfaktor / - g Erdbeschleunigung (9,806 m/s 2 ) G optische Generationsrate / cm -3 s -1 h PLANCKsches Wirkungsquantum (6, Ws 2, =h/2 ) H barometrische Skalenhöhe / m I elektrischer Strom / A I k Kurzschlussstrom / A j Stromdichte / A/cm 2 j k, j rek Kurzschluss-/Rekombinations-Stromdichte / A/cm 2 k BOLTZMANN-Konstante (1, Ws/K) k Wellenzahl / cm -1 l n, l p Driftlänge der Elektronen, Löcher / cm L Diffusionslänge / µm m Masse / kg m eff effektive Masse / kg n Brechzahl / - n Elektronenkonzentration / cm -3 n i Eigenleitungsdichte / cm -3

9 X Symbole N - A, N A Dichte der (ionisierten) Akzeptoren / cm -3 N + D, N D Dichte der (ionisierten) Donatoren / cm -3 N L, N V effektive Zustandsdichte im Leitungs-, Valenzband / cm -3 p Druck / N/m 2 p Impuls / kg cm/s p Löcherkonzentration / cm -3 p 0 Normaldruck (1013,25 hpa, 1 hpa = 1 N/m 2 = 1 kg s -2 m -1 ) P S q Strahlungsleistung / W Elementarladung (1, As) q Sammelwirkungsgrad / - Q ext externer Quantenwirkungsgrad / - Q int interner Quantenwirkungsgrad / - R Reflexionsfaktor / - R Rekombinationsrate / cm -3 s -1 R elektrischer Widerstand / r E Erdradius (6, m) r S Sonnenradius (0, m) r SE Abstand Sonne-Erde (149, m) s Rekombinationsgeschwindigkeit / cm/s S spektrale Empfindlichkeit / A/W u Energiedichte / Ws/cm 3 t Zeit / s T Temperatur / K T S Temperatur der Sonnenoberfläche (5800 K) U elektrische Spannung / V U D U L Diffusionsspannung / V Leerlaufspannung / V U T thermische Spannung ( = k T/q, U T (300 K) = 25,8 mv ) v n, v p Driftgeschwindigkeit der Elektronen, Löcher / cm/s v th W W F W fn, W fp thermische Geschwindigkeit / cm/s Energie / ev FERMI-Energie / ev Quasi-FERMI-Niveau der Elektronen/Löcher / ev w n, w p Raumladungszonenweite im n/p-gebiet / µm

10 Symbole XI W S x y Strahlungsenergie / kwh Ortskoordinate in Lichteinfallrichtung / cm Ortskoordinate quer zur Lichteinfallrichtung / cm Absorptionskoeffizient / 1/cm Sonnenhöhenwinkel / W Bandabstand / ev 0, Dielektrizitäts-Konstante (8, As/Vcm), -zahl / - Energiewandlungswirkungsgrad / - q Quantenwandlungswirkungsgrad / - Extinktionskoeffizient / - Wellenlänge / nm Beweglichkeit / cm 2 /Vs Frequenz / 1/s p Photonenstrom / s -1 3, Dichte / kg/cm 3 Raumladungsdichte / As/cm 3 spezifische Leitfähigkeit / -1 cm -1 STEFAN-BOLTZMANN-Konstante (5, Wm -2 K -4 ) Minoritätsladungsträger-Lebensdauer / s Kreisfrequenz / 1/s