Erneuerbare Energien. Modul Regenerative Energiesysteme 1 Photovoltaik Aufbau und Physik der Solarzelle

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1 Erneuerbare Energien Modul Regenerative Energiesysteme 1 Photovoltaik Aufbau und Physik der Solarzelle Prof. Dr. Werner Gerlach-Blumenthal W. Gerlach-Blumenthal Folie 1

2 Allgemeines Literaturempfehlungen und Urheberrechte T. Schabbach und V. Wesselak, Energie Die Zukunft wird erneuerbar, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2012 V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme Technologien, Berechnung, Simulation, Hanser Verlag München, 2013 K. Mertens, Photovoltaik Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis, Hanser Verlag München, 2013 A. Schaffarczyk, Einführung in die Windenergietechnik, Hanser Verlag München, 2012 Copyright Die im Vorlesungsskript verwendeten Abbildungen und Tabellen sind urheberrechtlich geschützt. Die Rechte liegen, wenn nicht anders gekennzeichnet, bei den Verlagen der angegebenen Literaturempfehlungen. Das Vorlesungsskript (incl. der verwendeten Abbildungen und Tabellen) basiert nahezu vollständig auf den angegebenen Literaturempfehlungen, was eine Nachbereitung und Vertiefung des behandelten Stoffes sehr leicht möglich machen sollte W. Gerlach-Blumenthal Folie 2

3 Vorlesungsinhalte Solarstrahlung Aufbau und Funktion regenerativer Energiesysteme Photovoltaik Aufbau und Physik on Solarzellen Elektrische Beschreibung von Solarzellen Typen und Herstellung von Solarmodulen Verschaltung von Solarmodulen und PV-Anlagen Solarthermie Nicht konzentrierte Solarthermie Konzentrierte Solarthermie Wirtschaftlichkeit solarer Energiesysteme Leistungsnachweis W. Gerlach-Blumenthal Folie 3

4 Photovoltaik Worüber wollen wir reden? Aufbau und Physik von Solarzellen Elektrische Beschreibung von Solarzellen Typen und Herstellungstechnologien uon Solarzellen Verschaltung von Solarmodulen und Applikationen W. Gerlach-Blumenthal Folie 4

5 Photoelektrischer Effekt Phot (griechisch) = Licht Wechselwirkung von Photonen mit Materie Lichtabsorption Absorptionskoeffizient α ist abhängig von Material und Photonenenergie Photonenenergie W ph = h f Plancksches Wirkungsquantum h= 6, Js Frequenz der auftreffenden Strahlung f / s -1 Formen des photoelektrischen Effektes Äußerer photoelektrischer Effekt Photoionisation Innerer photoelektrischer Effekt W. Gerlach-Blumenthal Folie 5

6 Photoelektrischer Effekt Äußerer photoelektrischer Effekt Photoemission, Hallwachs-Effekt Physikalischer Effekt Herauslösen von Elektronen aus einer Halbleiter- oder Metalloberfläche Photokathoden Anwendung z.b. Photozellen, Photomultiplier, Restlichtverstärker (MCP) Einstein-Gleichung des Photoeffekts Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums h = 6, Js Frequenzabhängigkeit der Elektronenenergie Bestimmung der Austrittsarbeit W A W. Gerlach-Blumenthal Folie 6

7 Photoelektrischer Effekt Einstein-Gleichung Photostrom setzt sofort mit dem Beleuchten der Photokathode ein. Lichtleistung hat keinen Einfluss auf die Energie der Photoelektronen, wohl aber auf deren Zahl pro Zeiteinheit Photoeffekt hängt von der Frequenz des Lichts ab. Unterhalb einer Grenzfrequenz kann auch bei noch so großer Lichtleistung kein Photoeffekt stattfinden Linearen Zusammenhang zwischen der kinetischen Energie der Photoelektronen und der Lichtfrequenz W. Gerlach-Blumenthal Folie 7

8 Photoelektrischer Effekt Photoionisation Physikalischer Effekt Ionisation von Atomen und Molekülen Kurzwellige Strahlung (UV-, Röntgen-, Gammastrahlung) Photoeffekt Übertrag der gesamten Photonenenergie Compton Effekt Übertragung eines Teils der Energie auf das Elektron Emission eines Photons mit geringerer Energie Anwendung Photoionisation von Luft mittels UV-Strahlung zur Vermeidung von Aufladungen Imaging Compton Teleskope (COMPTEL) im Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) der NASA zur Erforschung des Sternenhimmels im Bereich von einigen 10MeV W. Gerlach-Blumenthal Folie 8

9 Photoelektrischer Effekt Innerer photoelektrischer Effekt Physikalischer Effekt Erzeugung ungebundener Elektron-Loch Paare innerhalb des Materials Auftreten nur in Halbleitern Photoleitung Erhöhte Leitfähigkeit σ zusätzliche ungebundene Elektron-Loch-Paaren Erhöhung der Ladungsträgerdichte Intraband-Übergänge für W ph >W gap CdS (520nm), CdSe (730nm) Materialabhängige spektrale Empfindlichkeit Photovoltaik Umwandlung von Licht in elektrische Energie Ladungstrennung durch pn-übergang W. Gerlach-Blumenthal Folie 9

10 Physik der Halbleiter Atommodell nach Bohr Abb.: Aufbau und Energiemodell eines Wasserstoffatoms (e=1, As) 1. Bohr sches Postulat: Es gibt nur bestimmte diskrete Schalen,die für ein Elektron erlaubt sind W. Gerlach-Blumenthal Folie 10

11 Physik der Halbleiter Atommodell nach Bohr Abb.: Schematische Darstellung der Emission (links) und Absorption (rechts) von Licht 2. Bohr sches Postulat: Der Übergang eines Elektrons von einer Schale zur anderen erfolgt unter Emission oder Absorption von elektromagnetischer Strahlung W. Gerlach-Blumenthal Folie 11

12 Physik der Halbleiter Atommodell nach Bohr Frage Ein Elektron eines Wasserstoffatoms fällt von der M- auf die L-Schale. Welche Wellenlänge wird das abgestrahlte Licht aufweisen? Rechnung Das Licht strahlt bei 651nm und damit im roten Bereich W. Gerlach-Blumenthal Folie 12

13 Physik der Halbleiter Periodensystem Abb.: Periodensystem der Elemente (vereinfacht) Si: IV Hauptgruppe 4 Valenzelektronen, Kernladungszahl 14 Elektronenbesetzung 2 x K, 8 x L, 4 x M, Ionisierungsenergie E Ionisierung = 1,1eV Ge: IV Hauptgruppe 4 Valenzelektronen, Kernladungszahl 32 Elektronenbesetzung 2 x K, 8 x L, 18 x M, 4 x N, Ionisierungsenergie E Ionisierung = 0,7eV W. Gerlach-Blumenthal Folie 13

14 Physik der Halbleiter - Elektronenbahnen Zentrifugalkraft F Z = Coulombkraft F C Elementarladung e = 1, As Elektronenruhemasse m e = 9, kg Dielektrizitätskonstante ε 0 = 8, As/Vm Plancksches Wirkungsquantum h = 6, Js Quantelung des Bahndrehimpulses Abb.: Zweidimensionale Darstellung des Si- Atoms W. Gerlach-Blumenthal Folie 14

15 Physik der Halbleiter - Atommodell Abb.: Zweidimensionale vollständige (links) und vereinfachte (rechts) Darstellung des Si-Atoms Diskrete Elektronenschalen mit maximal 2n 2 Elektronen, aber maximal 8 Elektronen auf der äußeren Schale (Edelgaskonfiguration) Elektronen auf der äußeren Schale = Valenzelektronen Atome streben nach energieärmstem Zustand Besetzung der inneren Schalen W. Gerlach-Blumenthal Folie 15

16 Physik der Halbleiter - Bindungen Metallische Materialien Metalle bilden Kristalle ohne Beteiligung der Valenzelektronen Valenzelektronen lösen sich leicht aus dem Gitterverband frei beweglich Festkörper: Atome/cm³ Elektronendichte: cm³ < n n < cm³ sehr gute Leitfähigkeit Nicht-metallische Materialien Elektronenbindung = kovalente Bindung Wechselweise gemeinsame Nutzung der Außenelektronen Edelgaskonfiguration auf Valenzschale möglich kein weiteres Reaktionsbestreben Halbleiter z.b. Si. Ge mit 4 Valenzelektronen Abb.: Zwei Elektronenpaarbindungen im Wassermolekül Edelgaskonfiguration stabile Verbindung W. Gerlach-Blumenthal Folie 16

17 Physik der Halbleiter - Atommodell Abb.: Vier Elektronenpaarbindungen eines Halbleiteratoms Halbleiter wie Si, Ge können die stabile Edelgaskonfiguration erreichen W. Gerlach-Blumenthal Folie 17

18 Physik der Halbleiter - Halbleiterkristall Abb.: Zweidimensionale Darstellung der Atome im Halbleiterkristall (links), Tetraederstuktur (mitte) und Si-Kristall (rechts) Aufbau von Elektronenpaarbindungen mit den Nachbaratomen Entstehung des Kristalls Tetraeder-Struktur (2s- und 2p-Elektronen Hybridisierung zu 4 sp 3 ) W. Gerlach-Blumenthal Folie 18

19 Physik der Halbleiter Vom Schalen- zum Bändermodell Abb.: Energiezustände der Elektronen im Atom, im Molekül und im Festkörper Bahnradien der Elektronen = f(elektronenenergie) Coulomb-Kraft F C = Zentrifugalkraft F Z Nur Elektronenbahnen, für die der Drehimpuls ein Vielfaches von ist Quantelung des Bahndrehimpulses W. Gerlach-Blumenthal Folie 19

20 Physik der Halbleiter Energiebandstruktur Abb.: Energiebänder bei Leiter, Halbleiter und Isolator Leiter: Leitungsband teilweise gefüllt oder Bandüberlappung (ρ < 10 5 Ω m) Isolator: Elektronenübergang ins Leitungsband kaum möglich (ρ > 10 7 Ω m) Halbleiter: Elektronenübergang ins Leitungsband möglich (ρ = Ω m) W. Gerlach-Blumenthal Folie 20

21 Physik der Halbleiter Ladungsträgerpaarbildung Abb.: Bildung von Ladungsträgerpaaren im Halbleiterkristall T=0K Valenzelektronen im Kristall in Elektronenpaarbindungen fixiert keine beweglichen Ladungsträger keine elektrische Leitfähigkeit Halbleiter = Isolator T>0K Energiezufuhr Elektronen können Bindungen aufbrechen (Si/Ge: 1,1/0,7eV) frei bewegliche Elektronen e - jedes freie Elektron hinterlässt eine Fehlstelle h W. Gerlach-Blumenthal Folie 21

22 Physik der Halbleiter Eigenleitung Abb.: Valenz- und Leitungsband beim Silizium Bei steigender Temperatur gelangen einzelne Elektronen ins Leitungsband Si: n i0 = 4, cm 3 K 3/2 oder aber N 0 = cm -3 (effektive Zustandsdichte) Boltzmannkonstante k W. Gerlach-Blumenthal Folie 22

23 Physik der Halbleiter Zustandsdichte und Fermi-Niveau W F Abb.: Zustandsdichte D(W) der verfügbaren Energieterme (links)und Fermi-Dirac-Verteilung (rechts) Anzahl der besetzbaren Energieterme in Valenz- und Leitungsband begrenzt D(W): Zustandsdichte der verfügbaren Energieterme je Energieintervall dw Fermi-Dirac-Statistik: Wahrscheinlichkeit P(W) dafür, dass ein verfügbarer Energieterm wirklich besetzt wird (P(W F ) = 0,5 für T>0) W. Gerlach-Blumenthal Folie 23

24 Physik der Halbleiter Zustandsdichte im intrinsischen Halbleiter Abb.: Energieverteilung der Ladungsträger im intrinsischen Halbleiter bei Eigenleitung n(w) und p(w) sind die Energieverteilung der Elektronen und Löcher im Leitung- und Valenzband n(w) und p(w) sind die Ladungsträgerdichten pro Energieintervall dw W. Gerlach-Blumenthal Folie 24

25 Physik der Halbleiter n-dotierung Abb.: Dotierung und Ionisierung mit 5-wertigen Fremdatomen (links), n-leitung (rechts) 5-wertiges Atom wird mittels 4 Elektronenpaarbindungen eingebunden 5. Elektron wird nicht benötigt und kann sich leicht vom Rumpfatom lösen (benötigte Energie: Si/Ge: 50/10meV) frei bewegliches Elektron e - Zurückbleiben eines ortsfesten positiven Fremdatomrumpfes W. Gerlach-Blumenthal Folie 25

26 Physik der Halbleiter n-dotierung Abb.: n-dotierung eines Si-Kristalls mit ein P-Atom Ein Valenzelektronen des P-Atoms für Bindung nicht benötigt freies Elektron Entstehen neuer Energieniveaus knapp unterhalb der Leitungsbandkante (einige 10meV) W. Gerlach-Blumenthal Folie 26

27 Physik der Halbleiter Zustandsdichte im n-halbleiter Abb.: Energieverteilung der Ladungsträger im n-halbleiter Donatorelektron wird ins Leitungsband angehoben und besetzt einen vorhandenen Energieterm bewegliches Elektron und ortsfeste positive Ladung (kein Loch) W F verschiebt sich in Richtung W C in Abhängigkeit von Donatordichte N D + Effektive Zustandsdichte im Leitungsband N C W. Gerlach-Blumenthal Folie 27

28 Physik der Halbleiter p-dotierung Abb.: Dotierung und Ionisierung mit 3-wertigen Fremdatomen (links), p-leitung (rechts) 3-wertiges Atom wird mittels 3 Elektronenpaarbindungen eingebunden Elektronenpaarbindungen innerhalb des Kristalls gleichwertig Elektronen aus einer benachbarten Paarbindung kann wechseln (benötigte Energie: Si/Ge: 50/10meV) Entstehen eines ortsfesten negativen Fremdatomrumpfes W. Gerlach-Blumenthal Folie 28

29 Physik der Halbleiter p-dotierung Abb.: p-dotierung eines Si-Kristalls mit einem Bor-Atom Nur drei Bor-Valenzelektronen Eine Bindungen bleibt offen Benachbartes Elektron wechselt in die Bindung und erzeugt so ein Loch Neue Energietherme dicht oberhalb der Valenzbandkante (einige 10meV) W. Gerlach-Blumenthal Folie 29

30 Physik der Halbleiter Zustandsdichte im p-halbleiter Abb.: Energieverteilung der Ladungsträger im p-halbleiter Anheben eines Elektrons aus dem Valenzband auf das Akzeptorniveau ortsfeste negative Ladung und bewegliche positive Ladung (Loch) W F verschiebt sich in Richtung W V in Abhängigkeit von Donatordichte N A - Effektive Zustandsdicht im Valenzband N V W. Gerlach-Blumenthal Folie 30

31 Physik der Halbleiter Unbelasteter pn-übergang Abb.: pn-übergang Elektronen strömen von n-seite zur p-seite und besetzen dort die Löcher Auf n/p-seite bleiben ortsfeste positive/negative Ladungen zurück W. Gerlach-Blumenthal Folie 31

32 Physik der Halbleiter Unbelasteter pn-übergang Abb.: Ladungsträger am unsymmetrischen pn-übergang (p-hl links, n-hl rechts, N A- > N D+ ) W. Gerlach-Blumenthal Folie 32

33 Physik der Halbleiter Unbelasteter pn-übergang Unsymmetrischer pn-übergang (N A > N D ) Ladungsträgerdichte Kontinuierlicher Übergang von Majoritätsträgerkonzentration zu Minoritätsträgerkonzentration n 0 p 0 = n i ² Raumladungsdichte Annähern rechteckiger Verlauf für abrupten pn-übergang Raumladungen Q p = Q n Abb.: Ladungsträgerdichte und Raumladungsdichte am pn-übergang W. Gerlach-Blumenthal Folie 33

34 Physik der Halbleiter Unbelasteter pn-übergang Poisson-Gleichung Feldstärke E(x) Diffusionsspannung U D Aufladung von p- und n-zone Thermodynamisches Gleichgewicht Feldstrom = Diffusionsstrom Einsteingleichung 300K: Abb.: Feldstärke und Potentialverlauf am pn- Übergang W. Gerlach-Blumenthal Folie 34

35 Physik der Halbleiter pn-übergang spannungslos W. Gerlach-Blumenthal Folie 35

36 Physik der Halbleiter Belasteter pn-übergang Abb.: Verhalten des belasteten pn-übergang mit anliegender Spannung Vorwärtsspannung: Ladungsträger bewegen sich in Richtung Raumladungszone (RLZ) Abbau der Diffusionsspannung Stromfluss Rückwärtsspannung: Ladungsträger werden aus RLZ abgesaugt kein Stromfluss W. Gerlach-Blumenthal Folie 36

37 Physik der Halbleiter pn-übergang mit Flussspannung W. Gerlach-Blumenthal Folie 37

38 Physik der Halbleiter pn-übergang Sperrspannung W. Gerlach-Blumenthal Folie 38

39 Physik der Halbleiter - Diodenkennlinie In Vorwärtsrichtung leitet die Diode erst ab der Schleusenspannung U S In Rückwärtsrichtung kommt es bei Überschreiten der Durchbruchsspannung U Br zu hohen Strömen Kennlinie im Durchlassbereich Abb.: Schaltbild (links) und Kennlinie (rechts) einer Diode W. Gerlach-Blumenthal Folie 39

40 Physik der Halbleiter Beleuchteter pn-übergang Abb.: Vorgänge in einer Solarzelle bei Bestrahlung Anteil der nutzbaren Energie ist anhängig von der Wellenlänge Licht nutzbar unterhalb der maximal zulässigen Wellenlänge λ max Sehr hochenergetische kurzwellige Strahlung kann auch nur teilweise genutzt werden W. Gerlach-Blumenthal Folie 40

41 Physik der Solarzelle Funktion Abb.: Aufbau und Funktion der Solarzelle Schnitt (links) und 3D-Darstellung (rechts) Erzeugte Ladungsträger müssen in der Raumladungszone getrennt werden, bevor sie rekombinieren 1: Generation im Emitter und rasche Rekombination wegen hoher Dotierung; 2: Generation in RLZ; 3/4: Generation innerhalb / außerhalb Diffusionslänge W. Gerlach-Blumenthal Folie 41

42 Physik der Solarzelle - Quantenwirkungsgrad Abb.: Typischer Verlauf des internen Quantenwirkungsgrades verschiedener Solarzellentypen Externer Quantenwirkungsgrad η ext : Anteil der einfallenden Photonen einer bestimmten Wellenlänge, die einen Beitrag zum Photostrom leisten Berechnung des interne Quantenwirkungsgrades η int über τ(λ), α(λ) und ρ(λ) Je höher und breiter der η int Verlauf ist, desto höher ist der Wirkungsgrad der Zelle W. Gerlach-Blumenthal Folie 42

43 Physik der Solarzelle Spektrale Empfindlichkeit Abb.: Typischer Verlauf der spektralen Empfindlichkeit einer Solarzelle verschiedener Solarzellentypen Messtechnische Bestimmung von S(λ) aus E(λ) und I K Oftmals relative spektrale Empfindlichkeit S rel (λ) Für I sc gilt I sc I ph mit W. Gerlach-Blumenthal Folie 43

44 Physik der Solarzelle Absorption Abb.: Prinzip der Lichtabsorption im Halbleiter EnergieW Ph der Photonen muss größer als die Bandlücke sein Eindringtiefe x E beschreibt, nach welchem Lichtweg die Intensität auf das 1/e-fache (also ca. 37 %) abgefallen ist W. Gerlach-Blumenthal Folie 44

45 Physik der Solarzelle Absorption Abb.: Absorptionskoeffizient = f(photonenenergie) Absorptionskoeffizient ist materialabhängig Für hohe Absorption von c-si-solarzellen Mindestdicke von ca. 200 μm Light-Trapping (Reflexionen des Lichtes im Material) Reduzierung der Dicke Eindringtiefe Abfall der Lichtintensität auf 1/e W. Gerlach-Blumenthal Folie 45

46 Physik der Solarzelle Direkte und indirekte Halbleiter Halbleiter als System von gekoppelten schwingungsfähigen Gitterteilchen Energie der Gitterteilchen kann nicht jeden Energiewert annehmen Teilchencharakter Phonon Phonon: hoher Impuls, geringe Energie Photon: hohe Energie, geringer Impuls Indirekter Halbleiter: W C min und W V max bei unterschiedlichem Kristallimpuls Bildung Elektron-Loch-Paar nur unter Beteiligung eines Phonons Direkter Halbleiter: W C min und W V max bei gleichem Kristallimpuls kein Phonon notwendig Impulsänderung Kollision mit Gitter Abb.: Einfaches Modell zum Verständnis der Absorption im indirekten (oben) und direkten (unten) Halbleiter W. Gerlach-Blumenthal Folie 46

47 Physik der Solarzelle Direkte und indirekte Halbleiter Abb.: Vergleich der Absorptionskoeffizienten verschiedener Materialien für λ = 600nm Direkte Halbleiter haben einen um ca. 1 Größenordnung höheren Absorptionskoeffizienten Si kann in Abhängigkeit von der Kristallstruktur ein indirekter oder ein direkter Halbleiter sein W. Gerlach-Blumenthal Folie 47

48 Physik der Solarzelle Verbesserung der Absorption mittels AR Brechungsindex n gibt die Verminderung der Lichtgeschwindigkeit c gegenüber dem Vakuum an: n = c 0 /c und λ = λ 0 /n Reflexion R Reflexion R bei senkrechtem Lichteinfall z.b. für Si (n=3,9) ist R=35% R steigt mit abnehmendem Einfallswinkel AR-Beschichtung der Dicke d 180 Phasenverschiebung von E R1 und E R2 Fresnelsche Formel und Lösung für R=0 Abb.: Reflexion von Licht an einer Grenzschicht ohne (oben) und mit (unten) AR-Beschichtung W. Gerlach-Blumenthal Folie 48

49 Physik der Solarzelle Verbesserung der Absorption mittels AR Abb.: Spektraler Verlauf der Reflexion bei unbeschichtetem und beschichtetem Silizium Idealfall für Si: SiO 2 mit n=1,46 ergibt R=8,6% Si 3 N 4 mit n=2,0 ergibt n<1% W. Gerlach-Blumenthal Folie 49

50 Physik der Solarzelle - Kennlinie Kurzschlussstrom I sc = I max Keine Zellspannung (U=0) Leerlaufspannung U oc =U max Kein Zellstrom (I=0) Generation=Rekombination Maximum Power Point MPP Maximal verfügbare Leistung P MPP = U MPP I MPP Abhängig vom Lastwiderstand Füllfaktor FF=P MPP / (U oc I sc ) Qualitätskriterium Typische Werte: 0,75..0,85 Wirkungsgrad η =P MPP / (E*A modul ) Gemessen unter STC W. Gerlach-Blumenthal Folie 50

51 Physik der Solarzelle - Kennlinie W. Gerlach-Blumenthal Folie 51

52 Physik der Solarzelle - Kennlinie W. Gerlach-Blumenthal Folie 52

53 Physik der Solarzelle - Kennlinie Abb.: Parameter einer Solarzelle Standardtestbedingungen (STC = Standard Test Conditions): E = 1000 W/m², ϑ = 25 C, AM1,5g Einheit Wp (Watt-peak, Spitzenleistung) Normalbetriebsbedingungen (NOTC = Normal Operating Test Conditions): E = 800 W/m², ϑ = 20 C, AM1,5g, v Wind = 1 m/s, Zelltemperatur ϑ Zell 45 C W. Gerlach-Blumenthal Folie 53

54 Physik der Solarzelle - Kennlinie Abb.: Wirkungsgrad und Füllfaktor für verschiedene Zelltechnologien W. Gerlach-Blumenthal Folie 54

55 Regenerative Energien sind alternativlos Packen wir es an! Vielen Dank Hinweise und Fragen bitte per an W. Gerlach-Blumenthal Folie 55