Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

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1 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 6.1 Rolle des Wirkungsgrades 6.2 Minimierung rekombinatorischer Verluste 6.3 Minimierung ohmscher Verluste 6.4 Optische Optimierung

2 6.2 Wirtschaftliche Bedeutung hoher Wirkungsgrade 25% 35% 13% 30% - im wesentlichen flächenproportionale Kosten Quelle: Goetzberger et al.

3 6.3 Einfluß des Wirkungsgrades auf Stromgestehungskosten -Verdoppelung des Wirkungsgrades von 10% auf 20 % erlaubt fünffach teurere Module

4 Wirkungsgraderhöhung 6.4 Verluste für Si-Zelle mit Wirkungsgrad 15.5 %

5 Verluste einer typischen Si-Solarzelle 6.5 optisch ohmisch rekombinatorisch Verluste für Si-Zelle mit Wirkungsgrad 15.5 %

6 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 6.1 Rolle des Wirkungsgrades 6.2 Minimierung rekombinatorischer Verluste 6.3 Minimierung ohmscher Verluste 6.4 Optische Optimierung

7 Minimierung von Rekombinationsverlusten 6.7 Erinnerung: Strom der Solarzelle IL = IE + I RZ + IB -hoher Basisstrom, wenn in p-zone generierte Ladungsträger durch Diffusion RZ erreichen große Diffusionslänge erforderlich -große Diffusionslänge bedeutet auch, dass photogenerierte Ladungsträger Rückseitenkontakt erreichen können unerwünschte Rekombination am Rückseitenkontakt

8 Oberflächenrekombination 6.8 Oberflächenrekombination über Oberflächenzustände Oberflächenrekombination an der Grenzfläche zum Metall

9 Einfluß der Oberflächenrekombination 6.9 H 200 µm An der Stelle x=h: d( n) Sn n = Dn dx L n [µm] -sofern L n doppelte Basisdicke übersteigt, wird I SC durch Oberflächereko. bestimmt

10 6.10 Unterdrückung der rückseitigen Oberflächenrekombination Back-Surface-Field p+ Metall Nichtflächige Kontaktierung/ Passivierung der Oberfläche/BSF -Einbau einer sehr hoch dotierten p+-schicht führt zu einem pp+-übergang -Reduktion der Kontaktfläche auf < 5% resultierendes E-Feld treibt e s in Basis zurück (elektrischer Spiegel) - Reduktion auf S n < 100 cm/s - ebenso Passivierung des Emitters

11 Rolle der Sättigungsstromdichte I V OC I L = UT ln( + 1) I 0 mit U = T kt q Reduktion der Sättigungsstromdichte führt zu einer Erhöhung der Open-Circuit-Spannung und damit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades Sättigungsstromdichte in der idealen Zelle: 2 qni Dn I0, Basis = N ALn I0 = I0, Basis + I0, Emitter mit 2 qni Dp I0, Emitter = NDLp

12 Erhöhung von I 0 durch Oberflächenreko Unter Berücksichtigung von Oberflächenrekombinationseffekten modifizieren sich die Sättigungsströme: I 2 qni Dn 0, Basis = A n N L G F S = D L n n

13 Erhöhung von I 0 durch Oberflächenreko ähnlich im Emitter, durch Hochdotierung aber komplizierter

14 Verluste einer typischen Si-Solarzelle 6.14 optisch ohmisch rekombinatorisch Verluste für Si-Zelle mit Wirkungsgrad 15.5 %

15 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 6.1 Rolle des Wirkungsgrades 6.2 Minimierung rekombinatorischer Verluste 6.3 Minimierung ohmscher Verluste 6.4 Optische Optimierung

16 Minimierung von Ohmschen Verlusten 6.16 R 1 : Widerstand Metall-Halbleiter- Kontakt Rückseite R 2 : Widerstand der Basis R 3 :Lateralwiderstand Emitter R 4 :Widerstand Metall-Halbleiter Kontakt am Gitterfinger R 5 : Widerstand Gitterfinger R 6 : Widerstand Sammelbus

17 Minimierung von Ohmschen Verlusten 6.17 R 1 : Widerstand Metall-Halbleiter- Kontakt Rückseite R 2 : Widerstand der Basis R 3 :Lateralwiderstand Emitter R 4 :Widerstand Metall-Halbleiter Kontakt am Gitterfinger R 5 : Widerstand Gitterfinger R 6 : Widerstand Sammelbus

18 Ladungstransport am Metall-Halbleiter-Kontakt 6.18 Quantenmechanisches Tunneln Thermionischer Effekt

19 Kontaktwiderstand bei praktisch vorliegenden Dotierungswerten und Elektrodenmaterialien ist der Kontaktwiderstand zu vernachlässigen

20 Minimierung von Ohmschen Verlusten 6.20 R 1 : Widerstand Metall-Halbleiter- Kontakt Rückseite R 2 : Widerstand der Basis R 3 :Lateralwiderstand Emitter R 4 :Widerstand Metall-Halbleiter Kontakt am Gitterfinger R 2 ρ = Sid A (ebenfalls vernachlässigbar) R 5 : Widerstand Gitterfinger R 6 : Widerstand Sammelbus

21 Minimierung von Ohmschen Verlusten 6.21 R 1 : Widerstand Metall-Halbleiter- Kontakt Rückseite R 2 : Widerstand der Basis R 3 :Lateralwiderstand Emitter R 4 :Widerstand Metall-Halbleiter Kontakt am Gitterfinger R 5 : Widerstand Gitterfinger R 6 : Widerstand Sammelbus

22 Lateralwiderstand zwischen Gitterfingern 6.22 Integration ergibt Verlustleistung: d 2 2 d R d P = j lr = j l l R 3 R d = 6l (ist relevant) =R 3

23 Minimierung von Ohmschen Verlusten 6.23 R 1 : Widerstand Metall-Halbleiter- Kontakt Rückseite R 2 : Widerstand der Basis R 3 :Lateralwiderstand Emitter R 4 :Widerstand Metall-Halbleiter Kontakt am Gitterfinger R 5 : Widerstand Gitterfinger R 6 : Widerstand Sammelbus

24 Widerstand Kontaktfinger/Sammelbus 6.24 R 6 R 5 R 5 l = ρ met 3aL (beide relevant) R 6 lb = ρmet 6aL B Minimierung der Ohmschen Verluste: a groß, d klein viele Finger, große Flächen

25 6.25 Aber: Abschattungsverluste/Minimierung von optischen Verlusten - Kompromiss zwischen Abschattung und und ohmschen Verlusten - Verwendung von spitz zulaufenden Fingern

26 Minimierung von Ohmschen Verlusten 6.26 R 1 : Widerstand Metall-Halbleiter- Kontakt Rückseite R 2 : Widerstand der Basis R 3 :Lateralwiderstand Emitter R 4 :Widerstand Metall-Halbleiter Kontakt am Gitterfinger R 5 : Widerstand Gitterfinger R 6 : Widerstand Sammelbus

27 Verluste einer typischen Si-Solarzelle 6.27 optisch ohmisch rekombinatorisch Verluste für Si-Zelle mit Wirkungsgrad 15.5 %

28 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 6.1 Rolle des Wirkungsgrades 6.2 Minimierung rekombinatorischer Verluste 6.3 Minimierung ohmscher Verluste 6.4 Optische Optimierung

29 Minimierung von optischen Verlusten 6.29 Reflexion an einem Brechungsindexsprung E i E r E t n n R = n + n x Bsp.: Si-Oberfläche λ=600 nm n 4 -Spiegelung am Rückseitenkontakt - besser: diffuse rückseitige Reflexion R = = % Reflexion!!

30 Minimierung von optischen Verlusten 6.30 Reduktion der Reflexionsverluste durch Antireflexschichten:

31 Texturierung der Oberfläche Herstellung von invertierten Pyramiden durch spezielle Ätzprozesse Reduktion der Gesamtreflexion von AM 1,5 Strahlung: 35 % ( nacktes Si) 10 % (Texturierung) 3 % (AR-Beschichtung)

32 Hochvakuum-Aufdampftechnologie Metallschichten -AR-Schichten (λ/4-schichten)

33 Technologie bei hocheffizienten Zellen Passivierung durch Oxidationstechnologie - Herstellung der Punktkontakte durch Photolithographie - Texturierung der Oberfläche

34 Oxidationstechnologie 6.34 Trockene Oxidation: (Si + O 2 SiO 2 ) Feuchte Oxidation: (2Si + O 2 +2H 2 O 2SiO 2 +2H 2 ) -SiO 2 -Wachstum wird im Laufe des Prozesses verlangsamt, da Sauerstoff durch die frisch gewachsene Schicht hindurchdiffundieren muss

35 Photolithographie 6.35 Nach dem Entwickeln können entweder die belichteten oder die unbelichteten Bereiche stehenbleiben, je nach Wahl des Lacks (negativ/positiv).

36 Photolithographie: Lift-off-Prozess 6.36

37 6.37 Texturierung der Oberfläche: Anisotropes Nassätzen mit KOH -Ätzgeschwindigkeit hängt von der Kristallrichtung ab -durch Maskierung mit SiO 2 können regelmässige Pyramiden erzeugt werden -ohne Maskierung ergeben sich willkürliche -Pyramiden

38 6.38 Texturierung der Oberfläche: Anisotropes Nassätzen mit KOH -Ätzgeschwindigkeit hängt von der Kristallrichtung ab -durch Maskierung mit SiO2 können regelmässige Pyramiden erzeugt werden -ohne Maskierung ergeben sich willkürliche -Pyramiden

39 Texturierung der Oberfläche: Pyramiden %-Zelle (U of New South Wales, Australien) -extrem reines einkristallines Silizium -strukturierte Oberfläche und AR-Beschichtung -dünne Finger aus Ag -passivierte Emitterseite -emitterseitige Punktkontakte mit Hochdotierung

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