Solarzellen aus Si-Drähten

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1 Solarzellen aus Si-Drähten Fabian Schmid-Michels Universität Bielefeld Vortrag im Nanostrukturphysik 2 Seminar 31. Mai / 27

2 Überblick 1 Einführung Motivation 2 Herkömmliche Solarzellen Solarzellentypen Funktionsprinzip 3 Solarzellen aus Si-Drähten Aufbau Herstellung Absorptionsverhalten Quanteneffizienz 2 / 27

3 Motivation... für Solarzellen Regenerative Energie Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen Keine CO 2 Emission... für Verwendung von Nanostrukturen oder nanostrukturierten Materialien Reduzierung von Größe und Kosten Erhöhung der Effizienz 3 / 27

4 Wirkungsgrad Wirkungsgrad η = P elektrisch P Licht Messbedingungen 25 C 1000 W/m 2 Luft bei Normaldruck 4 / 27

5 Silizium-Solarzellentypen Dickschicht/Bulk-Zellen aus Monokristallinem Si (Wirkungsgrad > 20%) Polykristallinem Si (Wirkungsgrad 16%) Dünnschicht-Zellen aus Amorphem Si (Wirkungsgrad 7%) Kristallinem Si (Wirkungsgrad 10%) Zellen aus Si Drähten 5 / 27

6 Solarzellen aus anderen Materialien GaAs-Zellen (Wirkungsgrad > 40%) CdTe-Zellen (Wirkungsgrad 10%) Organische Solarzellen (Wirkungsgrad 6%) Farbstoffzellen (Grätzel-Zellen) (Wirkungsgrad 10%) 6 / 27

7 Funktionsprinzip einer Solarzelle: Halbleiter-Dotierung Dotierung Änderung der elektrischen Eigenschaften von Halbleitern. Man unterscheidet zwischen: p-dotierung: Fremdatome als Elektronen-Akzeptor n-dotierung: Fremdatome als Elektronen-Donatoren Abb.: p-dotierung Abb.: n-dotierung 7 / 27

8 Funktionsprinzip einer Solarzelle: p-n-übergang 8 / 27

9 Funktionsprinzip einer Solarzelle: Bändermodell 9 / 27

10 Funktionsprinzip einer Solarzelle 10 / 27

11 Solarzellen aus speziellen Siliziumstrukturen Seit 2000 wird an Solarzellen auf Basis von Si-Mikrodrähten geforscht Die Mikrodrähte sind einige µm dick und ca. 200µm lang Die Drähte sind senkrecht zur Oberfläche angeordnet = Erhöhte Absorption in breitem Spektralbereich 11 / 27

12 Aufbau der Si-Mikrodrähte Abb.: Schematischer Aufbau 1 Abb.: REM-Bild 1 1 Tian, B. u. a. Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources. Nature 449, (2007) / 27

13 Anordnung der Si-Mikrodrähte Abb.: 1 1 Kelzenberg et. al.predicted Efficiency of Si Wire Array Solar Cells. Proc. 34th IEEE Photovoltaics Specialists Conference 1-6 (IEEE, 2009). 13 / 27

14 Herstellung: Präparation des Wafers 1 p-dot. Si<111>-Wafer mit 300nm Oxid versehen 2 Mittels Photolithographie das Oxid strukturieren 3 Mit HF Löcher in die vom Photolack unbedeckten Stellen ätzen 4 500nm des Katalysatormetalls aufdampfen (Au, Cu oder Ni) 5 Entfernung des Photolacks (Lift-off) 6 Annealing ( Erhitzen ) bei 1000 C für 20 min 14 / 27

15 Herstellung: Präparation des Wafers Abb.: 2 2 Kayes, B.M. u. a. Growth of vertically aligned Si wire arrays over large areas (>1 cm 2 ) with Au and Cu catalysts. Appl. Phys. Lett. 91, (2007). 15 / 27

16 Herstellung: VLS-Methode (Vapor-Liquid-Solid) VLS-Methode Basiert auf CVD (Chemische Gasphasenabscheidung) Flüssiges Metall als Katalysator SiCl H 2 Si + 4HCl Das Metall (z.b. Au) kann den Si-Dampf schnell aufnehmen Au-Si wird übersättigt, Si scheidet sich ab Si Draht wächst 16 / 27

17 Einführung Herkömmliche Solarzellen Solarzellen aus Si-Drähten Herstellung: REM-Bilder der Mikrodraht-Arrays 3 3 Kayes, B.M. u. a. Growth of vertically aligned Si wire arrays over large areas (>1 cm2 ) with Au and Cu catalysts. Appl. Phys. Lett. 91, (2007). 17 / 27

18 Herstellung: Einbettung der Si Draht Arrays in PDMS PDMS PDMS: Polydimethylsiloxan. Ein Polymer auf Siliziumbasis ( Silikon ) Abb.: Si Draht Arrays eingebettet in PDMS 4 4 Plass, K.E. u. a. Flexible Polymer-Embedded Si Wire Arrays. Adv. Mater. 21, (2009). 18 / 27

19 Herstellung: Einbettung der Si Draht Arrays in PDMS Abb.: REM-Bilder: Si Draht Arrays eingebettet in PDMS 5 5 Plass, K.E. u. a. Flexible Polymer-Embedded Si Wire Arrays. Adv. Mater. 21, (2009). 19 / 27

20 Strategien zur Steigerung der Absorption Verwendung eines metallischen Reflektors an der Rückseite 6 6 Kelzenberg et. al. 20 / 27

21 Strategien zur Steigerung der Absorption Verwendung von Al 2 O 3 Partikeln ( 0,9 µm) Anti-Reflexionsschicht aus SiN x 7 7 Kelzenberg et. al. 21 / 27

22 Ergebnis der Optimierung 22 / 27

23 Absorption ist nicht alles Gute Absorption reicht nicht aus für eine gute Solarzelle, da die Energie auch in Wärme umgewandelt werden könnte Wie hoch ist die Quanteneffizienz? Quanteneffizienz Wie viele Elektronen pro Photon erzeugt werden QE = N erzeugteelektronen N Photonen 23 / 27

24 Quanteneffizienz Man unterscheidet: Externe Quanteneffizienz: Messbare Ausbeute relativ zur Anzahl aller einfallenden Photonen in Form von gemessenem Strom außerhalb der Solarzelle. Wird geringer bei mehr Reflektion oder Transmission des Lichts durch die Zelle. Interne Quanteneffizienz: Relativ zur Anzahl der absorbierten Photonen. Ist immer größer als die externe QE. Grober Anhaltspunkt Externe QE = Absorption Interne QE 24 / 27

25 Messung der QE 25 / 27

26 Zusammenfassung Solarzellen aus Si Drähten bieten folgende Vorteile gegenüber herkömmlichen Solarzellen Hohe Quanteneffizienz Geringer Materialbedarf Günstig und Effizient Nachteile: Bisher nur im Labormaßstab verwirklicht 26 / 27

27 Quellen Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Kelzenberg, M.D. u. a. Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications Nature Materials (2010) doi: /nmat / 27