Photonische Materialien 8. Vorlesung

Transkript

1 Photonische Materialien 8. Vorlesung Einführung in quantenmechanische Aspekte und experimentelle Verfahren (1) Lumineszenz-Label (1) Supramolekulare und biologische Systeme (1) Halbleiter Nanopartikel (2) Quanten-Well-Strukturen (1) Metallische Nanopartikel Solarzellen (1) Organische Leuchtdioden (1) Flüssige Kristalle (2) Photonische Kristalle (1) Optisch aktive Materialien (1).

2 Metallische Nanopartikel/Plasmonen Farbe Lichtstreuung Dielektrische Funktion Plasmonenresonanz Eigenschften Metallischer Nanopartikel Anwendungen Wiederholung

3 Farbdreieck: Absorption

4 Extinktion/Transmission Lambert-Beersches Gesetz: Absorption, Streuung, Reflexion, Beugung

5 Elektron-Loch Paare Photolumineszenz Optische Anregung Metall: Freie Elektronen Halbleiter: gebundene e-h Paare Exzitonen)

6 Bandstruktur von Metallen

7 Rayleigh Streuung/Mie-Streuung

8 Wechselwirkung Strahlung Materie Lösung: Auslenkung Lichtwelle mit

9 Dielektische Funktion Realteil: (Dispersion) Imaginärteil: (Absorption)

10 Dielektrische Funktion

11 Extinktion: Absorption; Streuung Ag, 30 nm

12 Absorption von Natriumclustern

13 Plasmonen in Partikeln

14 Plamonen in Partikeln

15 Vergleich Theorie/Experiment 10 nm /Argon

16 Silberpartikel

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18 Semiconductor Quantum - Dots Linnros CdSe Silicon Meier

19 Metallpartikel: Streuung/Absorption Q-Dot Photolumineszenz

20 Solartellen Globale Energiesituation Wirkungsprinzip Typen Materialien Kenndaten Entwicklungen

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24 Globaler Energieverbrauch

25 Energiemanagement Alternative Energien Regenerative Energien Energeinsparung Wirkungsgrad Wärmedämmung Konsumverzicht

26 Energieträger Fossile Energien Kernenergie Erneuerbare Energie Solarenergie Wasserenergie Geothermie Windenergie Biomasse BioKraftstoffe

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30 Vorteile In menschlichen Zeiträumen unerschöpfliche Sonnenenergie Solarzellen sind im Betrieb (nicht aber bei der Herstellung!) emissionsfrei Photovoltaik ist flexibel einsetzbar. Die Leistungen reichen von Milliwatt bis Megawatt Photovoltaische Zellen nutzen auch diffuses Licht und auch Licht im Innern von Gebäuden.

31 Nachteile Geringe Leistungsdichte (Watt pro Quadratmeter), Flächenbedarf daher groß Wetterabhängigkeit, aufwendige Speichertechnologien Gleichspannungserzeugung, Verluste bei der Transformation in Wechselspannung Herstellung energieaufwendig, beträchtlichen Schadstoffemissionen

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37 Dotierung von Si-Halbleitern

38 Dotiertes Silizium

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40 Wirkungsweise: Bildung Grenzschicht

41 Dotierung der Si - Solarzelle P- Dotierung: Bor N Dotierung: Phosphor Bildung einer Grenzfläche Absorption: Exzitonen Generierung Inneres Feld: Trennung Elektron-Loch Paar

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44 Funktionsprinzip

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46 Strom-Spannungskennlinie

47 Wirkungsgrad Glühlampe 4 % Si - Solarzelle % Solarkraftwerk %

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49 Wirkungsgrad von Solarzellen auf Silzium-Basis

50 Kristallines Silizium Schneiden aus Si-Einkristall (0.3 mm)

51 Polykristtalines Silizium Erstarren von Siliziumschmelze

52 Polykristalline Si-Solarzelle

53 Amorphes Silizium/Dünnschicht

54 A:Si Devices Sub um-range

55 Staebler-Wronski effect Amorphes Silizium -40 x höhere Absorption a:si a:sih Dangling Bonds: -Hohe Ladungsbeweglichkeit -Photochemische Reaktion

56 MD-Rechnungen a Si-H

57 Amorphes Silizium wasserstoffhaltiges amorphes Silizium RTM TEM

58 Absorption a:si, Si

59 Theoretischer Wirkungsgrad

60 Amorphes Silizium Hohe Absorption Dünne Schichten Defekte (geringerer Wirkungsgrad) Geringe Herstellungskosten Alterung

61 Module

62 Solar-Module

63 Stand-alone Systeme

64 Netzeinspeisung

65 Solare Kraftwerke Solarturmanlage CESA-1 auf der "Plataforma Solar de Almería" in Andalusien: 300 bewegliche Spiegel werfen das Sonnenlicht auf die Spitze eines Turmes. Die Energie der bis 1000-fach konzentrierte Strahlung wird dort auf ein Arbeitsmittel übertragen, das einen konventionellen Wärmekraftprozess antreibt.

66 Andasol I Solare Kraftwerke

67 Energiewandlung

68 Leistungsdaten Solarzelle Leerlaufspannung 0,5 V Strom 2,5 A bei 1000 W/qm Reihenschaltung

69 Photoelektrischer Effekt Bandlückenenergie

70 Spektrale Verteilung der Sonnenstrahlung

71 Spektraler Wirkungsgrad Berücksichtigung de Spektralverteilung der Energie der Sonne

72 Wirkungsgrade

73 Theoretischer Wirkungsgrad

74 Kennlinie

75 Abhängigkeit Strahlungsleistung

76 Temperaturabhängigkeit

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78 Wirkungsgrade von Solarzellen

79 Einflüsse Absorptionsbereich Wärmeentwicklung (Phononen) Defekte Reflektion/Streuung Elektrischer Widerstand Kontaktierung

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81 Tandem-Dünnschichtsolarzellen

82 Nanokristalline Solarmaterialien

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84 Alternative Strukturen Oberflächenstrukturierung zur Verminderung von Reflexionsverlusten: Zelloberfläche in Pyramidenstruktur Neue Materialien: Zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2). Tandem- oder Stapelzellen: breiteres Strahlungsspektrum: unterschiedliche Halbleitermaterialien Konzentratorzellen: Lichtintensität auf die Solarzellen fokussieren. MIS-Inversionsschicht-Zellen: innere elektrische Feld durchoxidschicht zu einem Halbleiter. Grätzel-Zelle: Elektrochemische Flüssigkeitszelle