Vorlesung Solarenergie: Terminplanung

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1 Vorlesung Solarenergie: Terminplanung Termin Thema Dozent Di Wirtschaftliche Lemmer/Heering Aspekte/Energiequelle Sonne Di Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemme r photovoltaischer Materialien Fr Kristalline pn -Solarzellen Heering Di Elektrische Eigenschaften Heering Di Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer Fr Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer Di Anorganische Lemmer Dünnschichtsolarze llen Di Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer Di Photovoltaische Systeme I Heering Di Photovoltaische Systeme I Heering Fr Solarkollektoren Heering Di Passive Sonnenenergienutzung Heering Di Solarthermische Kraftwerke Lemmer Di Energiespeicher/Solarchemie Heering Di Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering Di Energieszenarien Lemmer Di Third Generation Photovoltaics Lemmer Exkursion findet im SS statt!

2 Third Generation Photovoltaics 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 Investionskosten in /W können durch niedrige Kosten oder durch hohe Wirkungsgrade reduziert werden Quelle: RWESchottSolar

4 Third Generation Photovoltaics -Solarzellen mit potentiell niedrigen Herstellungskosten wurden bereits diskutiert Vorlesung über organische Solarzellen Hier: 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 19th century thermodynamics 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.

6 die Sache mit der Entropie 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

7 p die Sache mit der Entropie z.b. Reservoir: T isotherme Expansion A E Während der Zustandsänderung von A nach E wird vom System Wärme Q aufgenommen: 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

8 Ein Beispiel für die Entropieerhöhung: Temperaturausgleich 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!

9 Bedeutung für den Wirkungsgrad von Solarzellen 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

10 Bedeutung für den Wirkungsgrad von Solarzellen 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 TS η = = E T S S E S A A G 1 (maximal für S = 0) G

11 Der Carnot-Wirkungsgrad von Solarzellen Damit ergibt sich maximal: W T A TS A G 300K η = = 1 = 1 = 95%!! 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

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

13 Der maximale solarthermische Wirkungsgrad für einen Schwarzkörperabsorber 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 % Quelle: P. Würfel

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

15 Verluste in der Solarzelle Quelle: M. Green

16 Wirkungsgrade der Solarzelle η = abs j j Eabs, Ee, infallend η Thermalisierung εe + ε h = ω abs Quelle: P. Würfel η Thermodynamisch = ε eu e oc + ε h FF = j mp sc U j U mp oc Insgesamt ergibt sich: η = η η η FF = abs Thermalisierung Ther modynamisch j mp j U mp Ee, inf

17 Wirkungsgrade der Solarzelle Für eine optimierte (theoretische) Silizium-Solarzelle gilt: j, η abs = j Eabs Ee, infallend η η η abs = 0.74 Thermalisierung Ther modynamisch FF = 0.89 η = 0.28 = 0.67 = 0.64 η η Thermalisierung Thermodynamisch εe + ε h = ω = ε e abs eu oc + ε h FF = j mp sc U j U mp oc Insgesamt ergibt sich: η = η η η FF = abs Thermalisierung Ther modynamisch j mp j U mp Ee, inf

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

19 Das optimale Bandgap (AM0) Quelle: P. Würfel

20 Das optimale Bandgap (AM1) Quelle: P. Würfel

21 Strahlende Rekombination Zu η Thermodynamisch = ε eu e oc + ε h -strahlende Rekombination ist aufgrund der Umkehrbarkeit von Emission und Absorption unvermeidlich Quelle: M.Green

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

23 Thermophotovoltaische Energiekonversion: Solarzellen mit Carnotwirkungsgrad 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

24 Der maximale solarthermische Wirkungsgrad für einen Schwarzkörperabsorber 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 % Quelle: P. Würfel

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

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

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

28 Heiße Ladungsträger (Hot carriers) 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 ohnen Energieverlust abgeführt werden.

29 Heiße Ladungsträger (Hot carriers)

30 Stoßionisation Quelle: M.Green

31 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

32 Stoßionisation 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

33 2-Stufenanregung

34 2-Stufenanregung Quelle: M.Green

35 2-Stufenanregung Quelle: M.Green

36 Ausblick Realität PV ist wissenschaftlich spannend und wirtschaftlich erfolgreich!