Versuch 33: Photovoltaik - Optische und elektrische Charakterisierung von Solarzellen Institut für Technische Physik II

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1 Versuch 33: Photovoltaik - Optische und elektrische Charakterisierung von Solarzellen Institut für Technische Physik II Photovoltaik:Direkte Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie Anregung von Elektron-Loch-Paaren in Halbleitern durch Absorption eines Photons (innerer Photoeffekt) Trennung von Elektronen und Löchern durch das Raumladungsfeld in einer p-n-diode Versuchsinhalte Teil 1: Optische Charakterisierung Bestimmung von Brechungsindex n und Absorptionskonstante α aus Reflexions- und Transmissionsmessungen; Spektral aufgelöst [n(λ),α(λ)] Teil 2: Elektrische Charakterisierung Diodenkennlinien mit und ohne Beleuchtung Bestimmung des Solarzellenwirkungsgrades Untersuchte Materialien: Kristallines Silizium Amorphes Silizium für Dünnschichtsolarzellen

2 Funktion einer Solarzelle " 8 A H> H= K? D A H = I JM E@ A HI 4 F 1 4! Reflexion eines Teils des Lichts an der Grenzfläche Luft/Solarzelle 2. Elektron-Loch-Paaranregung und Trennung von Elektronen und Löchern in der Raumladungszone 3. Transmission eines Teils des Lichts durch die Zelle 4. Stromfluß über externen Lastwiderstand Kennlinie der beleuchteten Solarzelle Optimaler Arbeitspunkt Füllfaktor (FF)

3 Warum c-si und a-si? c-si a-si Marktanteil 80% 20% Wirkungsgrad η = elektrische Leistung einfallende Lichtleistung η = 14% η =8% hoch Preis niedrig Physikalische Unterschiede: Kristall amorpher Festkörper k-erhaltung keine k-erhaltung schwache Absorption starke Absorption (im Sichtbaren) (im Sichtbaren) unterschiedliche Prinzipien der Ladungstrennung Diffusion von Drift unter Einfluß Elektronen & Löchern eines E-Feldes! D F D F E = I J = I J

4 Optische Absorption (innerer Photoeffekt) D * D -. D - C 2 D 8 * A J= 0 = > A EJA H schnelle Thermalisierung Elektronen haben und Rekombination potentielle Energie E g, Lichtenergie Wärme die in elektr. Leistung umgewandelt wird. Rest Wärme optimale Anpassung von Sonnenspektrum und Absorptionsspektrum c-si a-si

5 Sonnenspektrum AM1,5 hν (ev) λ =0.55µmm ˆ= 2.25eV 1000 α cm 1 indirekte α (cm -1 ) kristallines Si Bandlücke E g =1.1eV 100 λ =1.13µm λ (µm) λ =0.55µm ˆ= 2.25eV 1000 α cm 1 direkte α (cm -1 ) amorphes Si Bandlücke E g =1.7eV λ =0.73µm λ (µm)

6 Exp. Bestimmung der optischen Absorption N? D H = J H, A JA J H? 5 E = 5 E, A JA J H = > A EJA H A H =? D I I EC J 1 1. I 0 (λ) ohne Probe 2. I T (λ) mitprobe 3. I R (λ) mitprobe Korrektur auf Reflexion: R = I R I0 = ( ) n(λ) 1 2 n(λ) n(λ)+1 4. Aus Lambert-Beer: I T = (I 0 I R ) e α d α(λ) = 1 d ln ( ) I 0 (1 R) I T o.k. für c-si (d 40µm)

7 a-si (d 1µm 2...3λ); d.h. dünne Schicht Interferenzen: C A I = J 1 6 C A I = J Konstruktive und destruktive Überlagerung von mehrfach reflektierten Wellen. 1.0 Transmission T ges Starke Absorption Schwache Absorption hν (ev) Näheres zur Analyse siehe Versuchsbeschreibung.

8 - * Ladungstrennung in p-n Übergang E EI EA HJA -. ) A F J HA 8 * BHA EA? D A H - * 8 * BHA EA - A JH A -. E EI EA HJA, = J HA Diffusion der freien Ladungsträger Rekombination -. keine freien Ladungsträger Verarmungszone Ortsfeste Ladungen der Donatoren und Akzeptoren Raumladungszone und Bandverbiegung Trennung von photogenerierten Elektronen und Löchern

9 Diodenkennlinie (dunkel) 7 F I I 0 exp ( ) e U A kt Sperrichtung U Durchlassrichtung I dunkel (U) =I 0 ( exp ( ) ) eu A kt 1 Näheres im Versuch.

10 Kennlinie unter Beleuchtung Unter Beleuchtung gibt es einen zusätzlichen Photostrom I photo durch optisch angeregte Ladungsträger Dunkelkennlinie wird um I photo nach unten verschoben I U max U 0 U I photo I max IK P max = U max I max Die Leistung der Solarzelle P = U I lässt sich als Fläche des Rechtecks an einen Punkt der I-U- Kennlinie (s.o.) darstellen. Für U=0V (Kurzschlussstrom I K ) und U=U 0 (Offene-Klemmenspannung) ist die Leistung Null. P ist für U =: U max maximal. Füllfaktor FF := P max /(U 0 I K )

11 Aufgabenstellungen Spektrale Bestimmung von Brechungsindex und Absorptionskonstante kristallines Silizium amorphes Silizium (Fabry-Perot Interferenzen) Theoretische Berechung des maximalen Wirkungsgrades mit Hilfe von α(λ) und dem Sonnenspektrum Messung der Dunkelkennlinien für eine kristalline und eine amorphe Siliziumsolarzelle Kennlinien unter Beleuchtung für zwei Intensitäten (I=2.5mW/cm 2, 25mW/cm 2 ) Bestimmung des optimalen Arbeitspunktes und des Füllfaktors Intensitätsabhängigkeiten von Kurzschlussstrom und Offener-Klemmen-Spannung Experimentelle Bestimmung des Wirkungsgrades Bestimmung des Diodenfaktors A Feldversuch: Wirkungsgrad

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