Si-Solarzellen. Präsentation von: Frank Hokamp & Fabian Rüthing

Transkript

1 Si-Solarzellen Präsentation von: Frank Hokamp & Fabian Rüthing

2 Inhaltsverzeichnis Vorteile / Nachteile Anwendungsgebiete / Potential Geschichte Silicium Wirkungsweise / Funktionsprinzip Typen / Herstellungsverfahren Aussichten für die Zukunft

3 Vorteile Regenerative Energiequelle Unbegrenzte Verfügbarkeit Unabhängig von fossilen und atomaren Energieträgern Produktion erzeugt wenig Kohlenstoffdioxid Stromerzeugung selbst aber nicht

4 Vorteile saubere Technologie, die umwelttechnisch unbedenklich ist Netz- und Infrastrukturunabhängig dezentrale Versorgung möglich

5 Nachteile Großer Flächenbedarf Keine kontinuierliche Stromerzeugung Schlechte Möglichkeiten Strom zu speichern Leistung stark ortsabhängig Schlechte Transportwege Unterschiede in der Effizienz

6 Anwendungsgebiete Dezentrale Stromversorgung z.b. Raumfahrzeugen Taschenrechner Parkuhren Warmwasserbereitung

7 Potential

8 Potential

9 Potential

10 Geschichte 1839 Batterie im Sonnenlicht hat höhere Leistung (Antoine Becquerel) 1893 erste Solarzelle zur Erzeugung von Elektrizität. (Selen) 1904 Lichtstrahlen lösen beim Auftreffen auf bestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberfläche erste Erklärungen für den Effekt der Photovoltaik-Effekt deutscher Physiker Philipp Lenard (1905 Nobel-Preis),

11 Geschichte 1949 Effekt des Kristallgleichrichters (pn-übergang/sperrschicht W. Shockley) 1950 Bau der ersten wirtschaftlichen Solarzelle durch Zufall. Gleichrichter aus Silicium (damals neues Material) hatte bessere Werte bei Sonneneinstrahlung 1953 Fertigung der ersten Solarzelle (µ ~ 4-6%)

12 Geschichte 1958 Erste Nutzung in der Raumfahrt Satellit Vanguard I besaß 108 Si-Solarzellen mit einem µ von 10,5 % (heutige Raumfahrzeuge rund Zellen) Seit 1958 Verbesserung des Wirkungsgrad durch reineres Silicium und bessere Dotierungsmöglichkeiten

13 Silicium Kristallstruktur: α-silicium Schmelztemperatur: 1410 C Siedetemperatur: 2477 C Dichte: 2,328 g/cm 3 relative Atommasse: 28,0855 u Halbmetall

14 Silicium 26% Massenanteil in der Erdrinde in der Natur liegt Silicium in Form von Siliciumdioxid und Silikaten vor Bsp.: Bergkristall SiO 2, Quarz, Kieselstein, Amethyst, Glimmer,.

15 Silicium / Herstellung Rohsilicium: Durch Reduktion von Siliciumdioxid mit C im Lichtbogenofen (ca C) wird elementares Silicium gewonnen Solarsilicium: Reinigen des Silicium durch Siemens Verfahren in SiSg polykristalline Silicium (Polysilicium) Reinheit 99,99%

16 Silicium / Herstellung Halbleitersilicium: Schmelzen des Polysilicium und Anlagerung an Impfkristall aus hochreinem monokristallinen Silicium (Tiegelziehen) Verunreinigung verbleibt in der Schmelze. Alternativ Zonenschmelzen mit einer ringförmigen elektrischen Induktionsheizung.

17 Funktionsprinzip Halbleiter bestehen aus Silicium, Germanium oder Gallium-Arsenid Gallium-Arsenid ist das beste Material, da höchste Elektronenbeweglichkeit allerdings sehr teuer Deshalb wird Silizium genommen, denn das gibt es wie Sand am Meer p- und n-dotierung

18 Funktionsprinzip Siliciumkristall besteht aus IVwertigem Si Atomen Die vier Außenelektronen bauen Gitter auf Gitter wird dotiert

19 Funktionsprinzip p- Dotierung: Si- Atome werden durch III-wertige Atome ersetzt Gallium, Aluminium, Indium, Bor Akzeptoren sorgen für Löcher, Defektelektronen Schicht ist etwa 0,6 mm dick

20 Funktionsprinzip n-dotierung: 5-wertige Elemente wie Phosphor und Arsen Schwach ortsfester Elektronenüberschuss durch Donatoren Schicht ist etwa 0,001 mm dick Anzahl der Akzeptoren = Anzahl der Löcher, Anzahl der Donatoren = Anzahl der überschüssigen Elektronen

21 Funktionsprinzip Ladung ist frei beweglich und kann Strom leiten p- und n- dotierte Halbleiter werden übereinander angelagert, die Phase dazwischen heißt p/n- Übergang

22 Funktionsprinzip

23 Monokristalline Solarzellen Hohe Effizienz bis 20% (noch) extrem teuer Gleichmäßig glatte Oberfläche, gebrochene Ecken Herstellung aus Halbleitersilicium (Wafern) Wafer wird in passende Scheiben geschnitten

24 Polykristalline Solarzellen Gute Effizienz (16-19%) Mittlere Herstellungskosten Am weitesten verbreitet Unregelmäßige Oberfläche Einzelne Kristalle gut erkennbar

25 Polykristalline Solarzellen Gießverfahren Si schmelzen (Induktionsheizung) Gießen in große Wannen und langsames abkühlen Bridgman-Verfahren Si schmelzen (Induktionsheizung) Heizung langsam nach oben verschieben Si erstarrt am von Boden nach oben

26 Amorphe Solarzellen o Entstehen durch schnelles Abkühlen oder aus der Gasphase heraus o Abscheiden auf Glas oder anderen Substratmaterialien (1 µm Dicke, menschliches Haar µm) o Dünne, nichtkristalline (amorphe) Si- Schicht o Einfache Herstellung (Aufdampfen) o Sehr preiswert o Geringe Effizienz (6-10%) o Dafür schon bei geringer Beleuchtung Leistung

27 Amorphe Solarzellen Anwendungen:

28 Aussichten für die Zukunft Tandem Zellen Kombination von polykristallinen und amorphen Zellen Ausnutzung der Schwachlichteigenschaften der amorphen Zelle Wirkungsgrad zwischen beiden Reinformen Mikrokristalline Zellen effizienter als amorphe Systeme weniger Materialaufwand da dünner

29 Aussichten für die Zukunft Andere Materialien Aluminium/Gallium/Indium + Phosphor oder Arsen Chalkopyride

30 Konkurrenz

31 Konkurrenz

32 Konkurrenz Organische Solarzellen Biosprit ist ethisch bedenklich und kann nicht genug Energie erzeugen Windkraft ist sehr Flächenintensiv und nicht überall effizient einsetzbar Wasserkraft bietet alternative, wo sie vorhanden ist Biomasse ist nicht genügend vorhanden

33 Quellen i/raeuber_kristalline_silicium-solar.pdf elle/geschichte.htm