8 Fotovoltaik. 8.1 Wirkungsweise der Solarzelle

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1 8 Fotovoltaik Der fotovoltaische Effekt wurde 1839 von Becquerel beobachtet, der Silberelektroden in eine Elektrolyten bestrahlte und feststellte, dass dadurch ein Stro induziert wurde gelang Chapin, Fuller und Pearson bei den Bell Laboratorien der Bau der ersten Solarzelle auf der Basis von einkristalline Siliciu it eine Wirkungsgrad von 6%. Durch intensive Forschung und Entwicklung konnte der Wirkungsgrad innerhalb von 40 Jahren etwa vervierfacht werden. 8.1 Wirkungsweise der Solarzelle Die Solarzelle ist grundsätzlich eine Fotodiode it großer Fläche (Abb. 8.1, Abschn ). Durch absorbierte Photonen gebildete Elektron-Loch- Paare werden infolge des eingebauten elektrischen Feldes getrennt. Dabei werden die Elektronen zu n-kontakt, die Löcher zu p-kontakt befördert (Abb. 1.69). Die Deckfläche der Solarzelle ist it eine Gitter dünner Kontaktfinger versehen, die den erzeugten Fotostro ableiten. Wegen des hohen Reflexionsgrades der Halbleiter uss die Oberfläche der Zelle stets it einer reflexverindernden Schicht versehen werden. Da der Absorptionskoeffizient bei indirekten Halbleiter Siliciu nur langsa it der Photonenenergie ansteigt (Abb. 1.68), benötigen Si-Solarzellen eine Dicke von 200 µ bis 300 µ. Solarzellen aus direkten Halbleitern wie beispielsweise GaAs koen dagegen it Dicken von 1 µ bis 2 µ aus. I Kurzschlussbetrieb fließt durch die Solarzelle ein Fotostro I K, der proportional ist zur eingestrahlten Leistung Φ e : IK ~ Φ e = Ee A (8.1) Bei gegebener Bestrahlungsstärke E e steigt der Stro und dait die produzierte elektrische Leistung proportional zur Fläche A.

2 352 8 Fotovoltaik Abb Scheatischer Aufbau einer Solarzelle I Leerlaufbetrieb ist an den Kontakten der idealen Solarzelle die Leerlaufspannung kt I K kt I K U L = ln + 1 ln (8.2) e IS e IS abgreifbar. k: Boltzann-Konstante, T: absolute Teperatur, e: Eleentarladung, I S : Sperr-Sättigungsstro (Dunkelstro). Zeichnet an anders als in Abb die Kennlinie der Solarzelle i ersten Quadranten, so gilt für die Stro-Spannungs-Kennlinie einer idealen Solarzelle (Abb. 8.2) eu I = IK IS exp 1. (8.3) kt Abb Stro-Spannungs-Kennlinie einer Si-Solarzelle bei Standard-Testbedingungen (STC). Zellengröße 15 c x 15 c.

3 8.1 Wirkungsweise der Solarzelle 353 Ist der Lastwiderstand i Außenkreis R L, dann definiert der Schnittpunkt der Widerstandsgeraden I = U/R L it der Kennlinie den Arbeitspunkt. Der optiale Lastwiderstand liegt vor, wenn die Fläche des grauen Rechtecks axial ist, nälich P = I U. (8.4) Der zugehörige Arbeitspunkt ist in Abb. 8.2 it MPP (Maxiu Power Point) gekennzeichnet. Da sich die Kennlinie it der Sonneneinstrahlung verändert, uss für effektiven Betrieb der Lastwiderstand durch eine elektronische Schaltung so angepasst werden, dass stets i Punkt axialer Leistung gearbeitet wird. Ein erster Schätzwert für den optialen Lastwiderstand ist U RL,opt. (8.5) I Das Verhältnis der grau schraffierten Rechteckfläche in Abb. 8.2 zur größten denkbaren Rechteckfläche, gebildet durch den Kurzschlussstro I K und die Leerlaufspannung U L, wird als Füllfaktor bezeichnet: K L L K IU P F F = =. (8.6) I U I KU L Der Füllfaktor ist ein Maß für die Güte der Zelle. Er beträgt 70% bis 85%. Beispiel: Wie groß ist der Füllfaktor der Zelle von Abb. 8.2? Lösung: Aus de Diagra wird entnoen: U L = 0,6 V, U = 0,49 V, I K = 7,6 A, I = 6,7 A. Dait wird F F = 72%. Die Kennlinie einer realen Solarzelle weicht etwas von der idealen nach Gl. (8.3) ab. Abbildung 8.3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer realen Solarzelle. Der Parallelwiderstand R p berücksichtigt Leckströe über die Oberfläche sowie Punktdefekte i pn-übergang. Der Serienwiderstand R s entsteht durch den Oh schen Widerstand des Halbleiteraterials, den Widerstand der Kontaktfinger sowie den Übergangswiderstand an der Halbleiter- Metall-Grenzfläche. Die Stro-Spannungs-Kennlinie wird jetzt eu + I Rs U + I Rs I = IK IS exp 1 kt. (8.7) Rp

4 354 8 Fotovoltaik Abb Ersatzschaltbild einer realen Solarzelle Beide Widerstände verschlechtern den Füllfaktor (Abb. 8.4). Bei besonders niedrigen Parallelwiderständen reduziert sich die Leerlaufspannung und bei besonders hohen Serienwiderständen verringert sich der Kurzschlussstro. Abb Kennlinien realer Solarzellen Die Eigenschaften der Solarzelle sind teperaturabhängig. Mit steigender Teperatur nit die Leerlaufspannung ab, während der Kurzschlussstro leicht ansteigt. Tabelle 8.1 zeigt eine Zusaenstellung der Teperaturkoeffizienten. Tabelle 8.1. Teperaturkoeffizienten der Betriebsparaeter von Siliciu-Solarzellen Größe Leerlaufspannung U L Kurzschlussstro I K elektrische Leistung P Teperaturkoeffizient 0,5%/K +0,1%/K 0,44%/K

5 8.2 Wirkungsgrad Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist definiert als Verhältnis der axial entnehbaren elektrischen Leistung P zur eingestrahlten optischen Leistung Φ e : P IKU LFF η = =. (8.8) Φ E A e Trotz großer Anstrengungen ist der Wirkungsgrad handelsüblicher Solarzellen nicht höher als etwa 15%. Die wichtigsten Verlustechanisen sind in Tabelle 8.2 zusaengestellt. Tabelle 8.2. Verluste in Si-Solarzellen e optische Verluste Reflexion an der Oberfläche 3% Abschattung durch Kontaktfinger 3% Photonen it überschüssiger Energie 32% Photonen it ungenügender Energie 24% elektrische Verluste Interne Zellenverluste infolge des Serienwiderstandes des Zellenaterials und der Kontaktfinger 1% Rekobination von Ladungsträgern in Basis und Eitter 22% Entscheidend für die optischen Verluste ist die in Abb. 8.5 dargestellte spektrale Bestrahlungsstärke E e, λ des Sonnenlichts. Außerhalb der Lufthülle (AM0, Air Mass Zero) entspricht die Verteilung etwa der eines schwarzen Strahlers it T = K (Abschn ). Die integrale Bestrahlungsstärke E e = 0 E e, λ W d λ = wird als Solarkonstante bezeichnet. Je nach Einstrahlwinkel und Weglänge der Strahlen durch die Atosphäre wird die Bestrahlungsstärke infolge von Absorption an Luftolekülen verringert. Wird die Lufthülle senkrecht durchstrahlt, spricht an von AM1-Verhältnissen (Air Mass One). Bei AM2 legen die Strahlen den doppelten Weg zurück usw. Als Standard zur Messung des Wirkungsgrades wurde das AM1,5-Spektru it E e = 1000 W/ 2 festgelegt (STC, Standard Test Conditions).

6 356 8 Fotovoltaik Abb Spektrale Bestrahlungsstärke des Sonnenlichts außerhalb der Atosphäre (AM0) und auf der Erdoberfläche (AM1,5). λ g ist die Grenzwellenlänge für Absorption in Siliciu Der ganze Teil des Spektrus, der rechts von der Grenzwellenlänge λ g liegt, wird nicht absorbiert, weil die Photonenenergie nicht ausreicht, u ein Elektron-Loch-Paar zu bilden. Strahlung it λ < λ g wird zwar absorbiert, aber die überschüssige Energie E ph E g wird in der Solarzelle in Wäre verwandelt. Wenn also beispielsweise ein Photon it der Energie E ph = 2 ev (λ = 620 n) in Si absorbiert wird, dann wird die Energie E g = 1,11 ev elektrisch nutzbar, während 0,89 ev in Wäre ugesetzt wird. Stünde ein Halbleiter it E g = 2 ev zur Verfügung, dann könnte die Energie dieses Photons zu 100% elektrisch genutzt werden. Für axiale Ausnutzung des Sonnenspektrus sollte also für jede Photonenenergie der Halbleiter it passender Energielücke zur Verfügung stehen. Dieser Idealfall kann angenähert werden durch Tandezellen, wobei Halbleiter it verschiedenen Energielücken hinter einander angeordnet werden. Theoretisch könnten solche Strukturen Wirkungsgrade von über 50% besitzen. Praktisch wurden beispielsweise bei der Kobination GaAs/Si 31% geessen. Die größten elektrischen Verluste entstehen durch Rekobination der Ladungsträger an der Grenzfläche zwischen der p-dotierten Basis und der etallisierten Rückseite (Abb. 8.1). Die Rekobination wird stark reduziert, wenn der Halbleiter passiviert wird durch eine dünne Schicht aus SiO 2

7 8.3 Technologie 357 oder SiN. Da diese Schicht elektrisch isoliert, üssen viele punktförige Kontakte durch die Schicht hergestellt werden. Ein kleines Gebiet it hoher p-dotierung erzeugt ein elektrisches Feld, das die Elektronen von den Kontakten fern hält (local back surface field). In der Forschung sucht an nach preisgünstigen Verfahren, u diese Tausende von Punktkontakten an der Zellenrückseite herzustellen. Wenn dieses Proble gelöst ist, sollten Si- Solarzellen in der Massenproduktion it Wirkungsgraden von etwa 20% öglich sein. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle steigt it der eingestrahlten Leistung. Wird der Wirkungsgrad bei E e,0 =1.000 W/ 2 (STC) it η 0 bezeichnet, so folgt ithilfe der Gln. (8.2) und (8.8) der Wirkungsgrad bei der Bestrahlungsstärke E e zu ln( E e / Ee,0) + eu L,0 /( kt ) η =η0. (8.9) eu /( kt ) Es kann also interessant sein, das Sonnenlicht beispielsweise ittels ikrooptischer Baueleente zu konzentrieren, u einen höheren Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringere Materialverbrauch zu erhalten. Beispiel: U welchen Bruchteil steigt der Wirkungsgrad einer Si-Solarzelle, wenn die Bestrahlungsstärke auf das Hundertfache gegenüber STC erhöht wird? Lösung: Für Si ist U L,0 0, 6 V (Abb. 8.2), so dass für 300 K aus Gl. (8.9) folgt ln(100) + 23,2 η = η0 = η0 1,198. Der Wirkungsgrad steigt also u 20%. 23,2 Für den praktischen Gebrauch werden einzelne Zellen zu Modulen von 0,5 2 bis 1 2 Fläche zusaen geschaltet. Der Wirkungsgrad eines Moduls ist typischerweise u 1 bis 2 Prozentpunkte niedriger als der Wirkungsgrad einer durchschnittlichen Zelle. L,0 8.3 Technologie Das nach wie vor wichtigste Material zu Bau von Solarzellen ist Siliciu. Wegen der hohen Materialkosten wird intensiv nach Alternativen gesucht (Tabelle 8.3). Sowohl bei einkristallinen als auch bei polykristallinen Si werden durch Sägen aus Blöcken (ingots) die Wafer it ungefähr

8 358 8 Fotovoltaik 300 µ Dicke heraus gesägt. Dabei entsteht ein Abfall von etwa der Hälfte des Ausgangsaterials. Ungefähr 50% der Kosten für ein Solarodul entfallen auf die Herstellung der Wafer. Günstiger ist es, polykristallines Siliciu in For von Bändern direkt aus der Schelze zu ziehen, obwohl der Wirkungsgrad dieses Folien-Silicius wegen verehrter Kristalldefekte etwas niedriger liegt. Dünnschichtzellen aus aorphe Siliciu (direkter Halbleiter) benötigen wenig Material. Der Wirkungsgrad degradiert aber i Laufe der Zeit und kot längst nicht an die Wirkungsgrade kristalliner Zellen heran. GaAs ist it einer Energielücke von E g = 1,4 ev optial an das Sonnenspektru angepasst. Die höchsten bislang erreichten Wirkungsgrade wurden daher it GaAs-Zellen erreicht. Wegen der sehr hohen Herstellungskosten it der Methode der Dünnschichtepitaxie werden GaAs- Zellen nur für Weltrauanwendungen eingesetzt. Interessante Alternativen zu Siliciu für terrestrische Anwendungen sind Dünnschichtzellen aus CdTe und verschiedenen Chalkopyriten (Tabelle 8.3). CuInSe 2 (E g = 1,05 ev ) und CuInS 2 (E g = 1,55 ev ) werden als CIS-Zellen bezeichnet. Durch stöchioetrische Mischung it CuGaSe 2 (E g = 1,68 ev ) und CuGaS 2 (E g = 2,3 ev ) können quintinäre Verbindungen Cu(In,Ga)(S,Se) 2 kurz CIGSSe hergestellt werden, deren Energielücke optial an das Sonnenspektru angepasst werden kann. Material Tabelle 8.3. Wirkungsgrade verschiedener Solarzellen Wirkungsgrad Laboruster Industrieelle Fertigung Si Einkristallin 23% 16% bis 18% Si polykristallin 20% 14% bis 16% Si polykristallines Band 13% bis 18% 11% bis 16% Si aorphe Dünnschicht 13% 7% bis 8% GaAs Einkristallin 25% CdTe Dünnschicht 16% 9% bis 10% Cu(In,Ga)(S,Se) 2 Dünnschicht 18,8% 9% bis 12% CuInS 2 Dünnschicht 12,7% CuGaSe 2 Dünnschicht 9,3%

9 8.4 Literatur Literatur Brendel R (2003) Thin-Fil Crystalline Silicon Solar Cells. Wiley-VCH, Berlin Goetzberger A, Voß B, Knobloch J (1994) Sonnenenergie: Photovoltaik. Teubner, Stuttgart Nelson J (2003) The Physics of Solar Cells. Iperial College Press, London Schid J (1999) Photovoltaik, Stro aus der Sonne. Müller, Heidelberg Wagner A (1999) Photovoltaik Engineering. Springer, Berlin, Heidelberg Würfel P (2004) Physics of Solar Cells. Wiley-VCH, Weinhei

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