PV I Flashcards
Solare Einstrahlung
Was führt zur Entstehung der solaren Strahlung?
Der Massendefekt während der Kernfusion von Wasserstoff in der Sonne.
Wie wird die Energie berechnet die die Sonne ausstrahlt? (Formel) Welche Annahme liegt dabei zugrunde?
Dafür Annahme: Photosphäre gleicht einem schwarzen Körper
-> also Adsorption = 100%, Reflektion = 0, Transmission = 0 (A = 1, R=T=0)
Berechnung mit dem Stefan - Bolzmann - Gesetz:
EsubS = sigma x TsubS^4
Mit:
- EsubS: Leistungsdichte [W/m^2]
- TsubS: Temperatur [K]
- sigma: 5,67 x 10^-8 (Stefan-Bolzmann-Konstante)
Wie hoch ist die Energie, die die Sonne ausstrahlt?
64 MW/m^2
(EsubS = 5,67 * 10^-8 W/(m^2xK^4) * 5800^4 * K^4)
-> oder Berechnung über Formel zur spektralen Leistungsdichte
Mit dem ?? kann die spektrale Energiedichte berechnet werden.
Planck’schen Strahlungsgesetz
(Formel siehe slide 4)
Die Kerntemperatur der Sonne beträgt ungefähr 13,6 * 10^6 K
Die Oberflächentemperatur der Sonne (Photosphäre) weist eine Temperatur auf von?
ungefähr 5800 Kelvin
Solare Radiation
Spektrale Energiedichte eines schwarzen Körpers
-> siehe slide 5
…
Solar Radiation
Welche Leistung erreicht die Erde?
-> siehe slide 6
…
Solar Radiation
Wie viel Leistung und wie viel Energie erreicht die Erde (extraterrestrisch)?
Extraterrestrische solare Leistung auf der Erdscheibe Psube [W]:
Psube = pi * r^2 * Esubse = 1,8 * 10^17 W
Extraterrestrische solare Energie auf der Erdscheibe Wsube [kWh]:
Wsube
= 365 days * 24 h/d * Psube
= 1,6 * 10^18 kWh/year
= 1,6 * 10^9 TWh/a
= 51 TWh/s
(Vergleich: Der jährliche Primärenergiebedarf 2022 war 5,28 TWh/s)
Solar Radiation
Wie viel Energie gelangt zur Erdoberfläche (terrestrisch)?
Sonnenlicht muss durch die Atmosphäre
Definition der Luftmasse (AMX). Sie beschreibt was?
Beschreibt wie viel Luftmasse das Sonnenlicht durchqueren muss.
(Je kleiner der Winkel alpha wird, desto länger wird der Weg!)
-> siehe slide 7!!
Solar Radiation
Spektrale Leistungsdichte an der Oberfläche
Absorption durch was?
O3, O2, H2O, CO2
Solar Radiation
Spektrale Leistungsdichte an der Oberfläche
Globale Strahlung = direkte Strahlung + diffuse Strahlung
Absorption durch: O3, O2, H2O, CO2
Welche Arten von Streuung gibt es und wann liegen diese jeweils vor? (2)
Rayleigh Streuung (Partikeldurchmesser < lambda)
–> bei blauen Himmel und roter Sonnenaufgang/-untergang
Mie Streuung (Partikeldurchmesser > lambda)
–> bei grauem Himmel
lambda: Wellenlänge des Lichtes
Man sollte sich immer klar machen, ob von der direkten oder der diffusen Strahlung gesprochen wird gerade…
…
Solar Radiation
Woraus setzt sich die globale Strahlung zusammen?
Globale Strahlung = Direkte Strahlung + Diffuse Strahlung
Solar Radiation
Spektrale Leistungsdichte am Erdboden, AM 1,5 (41,8°) (Standardtestbedingung)
Siehe slide 9!
…
PV - Historie:
Der photoelektrische Effekt wurde bereit im Jahre 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt.
1905 gelang es Albert Einstein, den Photoeffekt richtig zu erklären, wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik bekam.
1954 gelang es die ersten Siliziumzellen, mit einem Wirkungsgrad von über 4% zu produzieren, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von 6%.
In den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Photovoltaikzellen
…
Was wird beim Versuch zum Photoeffekt untersucht?
unter welchen Bedingungen auf eine Metallplatte fallendes Licht Elektronen herauslöst und wie viel Energie diese Elektronen habenPh
Photoeffekt
Aufbau:
Beschrifte Aufbau auf slide 11!
…
Beschreibe den Photoeffekt und seine Unterteilung kurz!
Herauslösung von Elektronen aus Materie irgendwelcher Art durch absorbierte elektromagnetische Strahlung
-> Äußerer Photoeffekt:
Elektronen verlassen die bestrahlte absorbierende Materie
-> Innerer Photoeffekt (für VL relevante):
Elektronen verbleiben als freie Elektronen in der Materie (z.B. Halbleiter)
Photoeffekt
Licht löst an der Kathode Elektronen heraus
-> wandern zur Anode
Nachweis der Stärke über anlegen einer Gegenspannung, welche so lange erhöht wird bis kein Strom mehr fließt
Kinetische Energie der Elektronen ist dann: Ekin = e x UGrenz
ABER:
Energie von Wellen steigt proportional mit der Amplitude an
-> Geschwindigkeit und damit die Energie der austretenden Elektronen müsste bei hellerem Licht höher sein.
Keine dieser beiden Erwartungen wird erfüllt!
Beobachtungen sind mit dem Wellenmodell des Lichtes nicht erklärbar -> jedoch mit dem?
Welle-Teilchen-Dualismus
Photovoltaik - Bohr’sches Atommodell
- Postulat: Elektronen eines Atoms können sich nur auf bestimmten ?(1)? bewegen, ohne Strahlung zu emittieren
- Postulat: Zwischen den ?(1)? mit der Energie E sind ?(2)? möglich.
-> Die dabei absorbierte oder emittierte Energie entspricht der Differenz zwischen den Energien des Anfangs- und Endzustandes
(1) stabilen Kreisbahnen
(2) Elektronenübergänge
Photovoltaik - Bändermodell
Wie kommen die Energiebänder zustande?
Bei der Betrachtung eines einzelnen Atoms lassen sich diskrete Energiezustände finden.
Werden zwei Atome in eine räumlich nähe zueinander gebracht kommt es zu was?
Entartung der Energiezustände der Einzelatome
(-> Das Feld des einen Atoms stört die Energiezustände des anderen und umgekehrt -> es tritt eine Aufspaltung in mehrere Niveaus auf)
Photovoltaik - Bändermodell
Wie kommen die Energiebänder zustande?
Werden zwei Atome in eine räumlich nähe zueinander gebracht stört das Feld des einen Atoms die Energiezustände des anderen und umgekehrt (Entartung der Energiezustände der Einzelatome)
-> es tritt eine Aufspaltung in mehrere Niveaus auf
Gleicher Effekt tritt in Kristallgittern auf
-> viele sehr dicht nebeneinander liegende Elektronenenergieniveaus bilden ein ?(1)?.
Die Breite ist abhängig vom ?(2)?
Die Dichte eines Elektronenbandes ist proportional zur ?(3)?
Zwischen zwei Bändern kann eine ?(4)? liegen, in der keine elektronischen Zustände zu finden sind.
(1) Energieband
(2) Abstand zum Atom
-> energetisch tieferliegende Zustände sind stärker lokalisiert
(3) Zahl der am Aufbau des Kristalls beteiligten Atome
(4) Energielücke
(slide 17!)
Photovoltaik - Bändermodell
Elektronen auf energetisch höheren, breiteren Bändern sind mit zunehmender Energie ?(1)? und ihre Bindung an die Einzelatome ?(2)?.
Vom ersten Band an werden die Bänder mit Elektronen gefüllt
-> das zuletzt vollständig gefüllte Band heißt ?(3)?
Das nächsthöhere Band, das ?(4)? kann teilweise gefüllt oder vollständig leer sein
Esubg ist der ?(5)?
(1) beweglicher
(2) geringer
(3) Valenzband (VZ)
(4) Leitungsband (LB)
(5) Bandabstand
-> siehe slide 18!
Photovoltaik - Bändermodell
Beschreibe kurz das Bändermodell.
Zeichne es für einen Leiter (enganeinander und überlappend), Halbleiter und Isolator!
Elektronen auf energetisch höheren, breiteren Bändern sind mit zunehmender Energie beweglicher und ihre Bindung an die Einzelatome geringer
Vom ersten Band an werden die Bänder mit Elektronen gefüllt
-> das zuletzt vollständig gefüllte Band heißt Valenzband (VZ)
Das nächsthöhere Band, das Leitungsband (LB) kann teilweise gefüllt oder vollständig leer sein.
Esubg ist der Bandabstand
Zeichnungen siehe slide 18!
Photovoltaik - Bändermodell
Nenne die wesentlichen Unterschiede zwischen Leiter, Halbleiter und Isolator BEI DER Betrachtung im Bändermodell! (Leiter vs. Halbleiter; Halbleiter vs. Isolator)
Leiter vs. Halbleiter
-> beim Halbleiter befinden sich anders als beim Leiter keine Elektronen im Leitungsband (LB)
Halbleiter vs. Isolator
-> Beim Halbleiter ist der Bandabstand EsubG zwischen Valenz- und Leitungsband geringer (Esubg < 5 eV) als beim Isolator (Eg >= 5 eV)
(siehe slide 18!)
Photovoltaik
Wonach werden Leiter, Halbleiter und Nichtleiter (bzw. Isolator) unterschieden?
nach dem spezifischen Widerstand [ohm m]
-> Leiter: geringen spezifischen Widerstand (
-> Halbleiter: mittlerer spezifischer Widerstand (10^-5 ohm m und 10^7 ohm m)
-> Nichtleiter (Isolatoren): hohen spezifischen Widerstand
–
-> Halbleiter für diese VL (bzw. PV) relevant(!)
Photovoltaik - Bändermodell
Beschreibe Halbleiter anhand des Bändermodells!
-> Erkläre auch mit einer Skizze!
Mittlerer spezifischer Widerstand zwischen 10^-5 und 10^7 ohm m
Leitungsband ist unbesetzt
Geringe Bandbreite Esubg (Esubg < 5 eV bzw. wohl sogar 4 eV)
–> dadurch können Elektronen durch den Einfluss von Licht in das Leitungsband gehoben werden*
Dies wird innerer Photoeffekt genannt
-> Skizze siehe slide 20!!
*Erklärung: Lichtteilchen (Photon) trifft auf ein Elektron im Valenzband und gibt Energie an dieses ab bzw. das Elektron absorbiert die Energie. Um das Elektron in das Leitungsband zu heben, muss die Energie größer sein als der Bandabstand Esubg (bei Halbleitern < 4 bzw. 5 eV)
Welche Elemente kommen als Halbleiter bei Photovoltaik zum Einsatz?
Elemente der 4 Hauptgruppe
–> Silizium, Germanium, Zinn
oder in Kombination aus:
Elementen der 3.Hauptgruppe (Aluminium, Galium, Indium) und 5.Hauptgruppe (Phosphor, Arsen, Antimon)
-> z.B. Galliumarsenid
oder in Kombination aus Elementen der Gruppe 12 (Nebengruppen) und der 6. Hauptgruppe
-> z.B. Cadmiumtellurid
-> Merke mit Abbildung slide 21+22+23
Nenne 3 Halbleiter!
Silizium
Galliumarsenid
Cadmiumtellurid
Was sind Halbleiter? (Exam)
Feststoffe deren spezifischer Widerstand bzw. Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren liegt
Im “Normalzustand” meist nicht leitend
Photovoltaik - Störstellenleitung
Bsp. Silizium-Kristallgitter
Jeweils zwei benachbarte Atome teilen sich zwei Elektronen
–> Elektronenpaarbindung
?(1)? ist voll besetzt mit Elektronen und ?(2)? leer
Durch ?(3)? oder ?(4)? können ?(5)? vom Valenz- in das Leitungsband angehoben werden.
-> Elektron ist im Leitungsband ?(6)?
-> es bleibt ein ?(7)? zurück
Durch die Löcher entstehet die ?(8)? von Halbleitern (auch ?(9)? genannt)
(1) Valenzband
(2) Leitungsband
(3) Licht (mit einer hinreichenden kurzen Wellenlänge)
(4) Wärme
(5) Elektronen
(6) frei beweglich
(7) Loch
(8) Eigenleitung
(9) intrinsische Leitfähigkeit
(siehe Abbildung slide 24!!)
Photovoltaik - Störstellenleitung
Eine andere technisch wichtige Eigenschaft ist die Möglichkeit der Dotierung.
Was versteht man allgemein darunter?
Eine Dotierung beeinflusst die natürliche Konzentration von freien Ladungsträgern durch einen kontrollierten Einbau geringer Mengen von Fremdatomen (Donatoren oder Akzeptoren) in die Gitterstruktur
n-Halbleiter
Beschreibe diese Kombination mit fünfwertigen Elementen!
Einbringung von fünfwertigen Fremdatomen in Silizium-Kristallgitter (also mit 5 Valenzelektronen auf der Außenseite)
Es werden nur vier Elektronen für die Elektronenpaarbindung benötigt.
Das fünfte ist schwach gebunden und steht als Leitungselektron zur Verfügung
Diese Elemente werden als “Elektronengeber” (Donatoren) bezeichnet
Im Bändermodell entsteht ein zusätzliches Energieniveau unter dem Leitungsband
-> dadurch ist eine geringere Energie notwendig, um diese Elektronen in das Leitungsband zu heben
Mit welchem Element kann Silizium-Kristallgitter n-dotiert werden? (n: negativ)
fünfwertigem Element (z.B. Phosphor)
-> also mit fünf Valenzelektronen
Zeichne ein Silizium-Gitter mit n-Dotierung (hier Phosphor)!
siehe Skizze slide 27!
p-Halbleiter
Beschreibe die p-Dotierung! (p: positiv)
Kombination mit dreiwertigen Elementen (oder weniger):
Es sind nicht alle vier Elektronen für die Elektronenpaarbindung vorhanden
-> einem Silizium-Atom fehlt ein Elektron, wodurch ein Loch entsteht
Durch Anlegen eines elektrischen Feldes können Elektronen so von Loch zu Loch wandern
-> damit wird ebenfalls die Leitfähigkeit erhöht
Diese Elemente werden als Akzeptoren bezeichnet
Im Bändermodell entsteht ein zusätzliches Energieniveau ddicht über dem Valenzband
-> dadurch ist eine geringere Energie notwendig, um diese Elektronen ins Akzeptorniveau zu heben
Zeichne ein Siliziumgitter mit p-Dotierung (hier Bor)!
siehe slide 30!
Zeichne das Bändermodell für eine n-Dotierung und für eine p-Dotierung!
siehe slide 27 (n) +28 (p) !!
Wichtig: n-dotierte Halbleiter mit einer großen Anzahl von Leitungsbandelektronen zeigen auch eine geringfügige p-Leitung
Wahr/Falsch?
Wahr
n-dotierte Halbleiter:
- Löcher im Valenzband werden als ?(1)? bezeichnet
- Elektronen im Leitungsband als ?(2)? bezeichnet
p-dotierte Halbleiter:
- Löcher im Valenzband werden als ?(3)? bezeichnet
- Elektronen im Leitungsband als ?(4)? bezeichnet
(1) Minoritätsladungsträger
(2) Majoritätsladungsträger
-> macht Sinn, weil 5 Valenzelektronen
(3) Majoritätsladungsträger
(4) Minoritätsladungsträger
-> macht Sinn, weil 3 oder weniger Valenzelektronen
p-n Übergang
Wird ein p dotierter Halbleiter mit einem n dotierten Halbleiter in Kontakt gebracht verschieben sich die Energiebänder des p-Halbleiters relativ zum n-Halbleiter zu ?(1)?.
Konzentration der Ladungsträger ist in beiden Halbleitern sehr unterschiedlich:
- p-Halbleiter: zahlreiche ?(2)? im VB
- n-Halbleiter: zahlreiche ?(3)? im LB
Es setzt ein ?(4)? ein:
- ?(5)? aus dem n-Gebiet wandern in das p-Gebiet
- ?(6)? wandern vom p- in das n-Gebiet
An der Grenze können die Ladungsträger ?(7)?:
- Es entsteht ein Gebiet das durch eine ?(8)? gekennzeichnet ist
- wird ?(9)? genannt
(1) höheren Energieniveaus.
(2) Löcher
(3) Elektronen
(4) Diffusionsvorgang
(5) Leitungsbandelektronen
(6) Valenzbandlöcher
(7) rekombinieren
(8) niedrige Konzentration an freien Ladungsträgern
(9) Sperrschicht (bzw. Raumladungszone)
p-n Übergang
Durch den anhaltenden Diffusionsvorgang wird die ?(1)? gestört.
Das Abwandern der Majoritätsladungsträger hinterlässt im n-Gebiet eine ?(2)? und im p-Gebiet eine ?(3)? Raumladungszone.
Ursache dafür sind die ?(4)?.
(1) Ladungsträgerneutralität
(2) positive
(3) negative
(4) geladenen, ortsfesten Donatoren und Akzeptoren
Zeichne den p-n Übergang mit Raumladungszone!
siehe Abbildung slide 34!
Sperrschicht am p-n-Übergang
Die Raumladungszone erzeugt im Bereich der Grenzflächen ein ?(1)? dessen Feldvektoren von ?(2)? nach ?(3)? zeigen.
Mit zunehmender ?(4)? wächst dieses Feld an.
Die Kraft des Feldes wirkt der Diffusion ?(5)? und bringt sie irgendwann zum Erliegen.
Es stellt sich folglich ein ?(6)? ein.
(1) elektrisches Feld
(2) n
(3) p
(4) Diffusion
(5) entgegen
(6) dynamisches Gleichgewicht
Sperrschicht am p-n-Übergang
siehe slide 35 an!
-> merke Graphen
…
Prinzip der Solarzelle im Energiebändermodell
Beschreibe kurz das Prinzip der Solarzelle im Energiebändermodell! (Fertige hierfür auch zwei Skizzen an!)
Je mehr Leitungsbandelektronen diffundieren, um so größer ist der erforderliche Energieaufwand.
Werden Elektronen durch Photonen ins Leitungsband angehoben werden diese in das n-Gebiet gezogen.
Die entstehenden Löcher wandern in das p-Gebiet.
(Skizze slide 36!)
Beschreibe die Funktionsweise einer Solarzelle! (wichtig)
Entstehen einer elektrischen Spannung in einem Festkörper durch die Absorption von Licht.
Schritte:
- Entstehung frei beweglicher elektrischer Ladungsträger durch ein internes elektrisches Feld
- Räumliche Trennung der positiven und negativen Ladungsträger durch ein internes elektrisches Feld
- Ableitung der Ladungsträger über Kontakte zu einem Verbrauchswiderstand
(ein Teil der Strahlung wird jedoch auch reflektiert oder es tritt Transmission oder frühzeitige Rekombination auf)
Funktionsweise Solarzelle
Nicht sämtliche Strahlung mit einer Wellenlänge in der Nähe des Bandabstandes wird in elektrische Energie umgewandelt.
Ein Teil ?(1)?. Ein anderer Teil geht ?(2)? durch den Halbleiter ?(3)?.
Elektronen und Löcher können frühzeitig ?(4)?
(1) reflektiert
(2) ungenutzt
(3) hindurch (Transmission
(4) rekombinieren
(siehe slide 39)
Photovoltaik - max. theoretischer Wirkungsgrad
eta limit = ??
eta limit =
PsubElektronen
/
PsubEinstrahlung
Photovoltaik - max. theoretischer Wirkungsgrad
1) Für Silizium liegt der theoretische Maximalwirkungsgrad unter Berücksichtigung der Einstrahlung eines schwarzen Strahlers mit 5.800K bei?
2) Der REALISTISCHE max. theoretische Wirkungsgrad auf Grund von Absorption und Streuung der Photonen in der Atmosphäre und von internen Verlusten durch Rekombination und nicht-Absorption in der Zelle liegt bei?
1) 44%
2) 29%
Warum liegt der REALISTISCHE max. theoretische Wirkungsgrad von Silizium mit 29 % unter dem theoretischen Maximalwirkungsgrad von Silizium unter Berücksichtigung der Einstrahlung eines schwarzen Strahlers (Sonne) mit 5.800K (44%)?
Grund:
- Absorption und Streuung der Photonen in der Atmosphäre
- interne Verluste durch Rekombination und nicht-Absorption in der Zelle
Warum ist Silizium ein sehr gutes Ausgangsmaterial für Solarzellen? (3)
- es weist einen realistisch theoretischen Wirkungsgrad von 29% auf. (vergleichsweise hoch (siehe auch Abb. slide 41+42)
- es ist weit verbreitet
- es ist sehr günstig
Aufbau einer typischen Solarzelle.
Beschrifte (ggf. zeichne) slide 43!!
…
Welche Solarzelle (nicht Mehrschichtsolarzellen) weist den höchsten Wirkungsgrad auf? Wie hoch ist er?
monokristalline Solarzelle (PERL (passivated emitter, rear locally-diffused)
eta = 24,7% (im Labor)
-> schon sehr nah an den 29% des realistischen maximalen theoretischen Wirkungsgrades
Monokristalline Solarzellen weisen den höchsten Wirkungsgrad auf (24,7%, im Labor). ((Mehrschichtsolarzellen also Kombination von Solarzellen noch höhere Wirkungsgrade))
Wie wird dieser Wert erreicht? (5)
Oberflächenpassivierung auf beiden Seiten
-> weniger Rekombination
Hochdotierte Punktkontakte auf der Vorder- und Rückseite
-> weniger Rekombination
Invertierte Pyramide als Struktur
-> weniger Reflektionsverluste
TCO Transparenz Leitfähige Oxidschicht
-> weniger Verschattung durch Leiterbahnen
Doppelschicht von Antireflexionsbeschichtung (Silizium-Nitrit)
-> höhere Absorptionsrate, da weniger Reflexion (von 30% auf 10% Reflexion)
(Sind auch generell wohl alles Möglichkeiten um Wirkungsgrade von Solarzellen zu erhöhen)
Monokristalline Solarzellen (PERL)
-> siehe slide 44
…
Mehrschichtsolarzellen können deutlich höhere Wirkungsgrade erreichen als einzelne Solarzellen.
Wahr/Falsch?
Wahr (z.B. 37,9% siehe slide 45)
Was ist der Grund für einen höheren Wirkungsgrad bei Mehrschichtsolarzellen?
Höhere Ausnutzung des gesamten Einstrahlungsprofiles.
-> Einsatz unterschiedlicher Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken (Esubg), um Licht über weites Wellenlängenspektrum hinweg nutzen zu können.
(siehe slide 45 VL PV I)
Wirkungsgrade von Solarzellen im Vergleich
-> siehe Übersicht slide 46!!
-> Wirkungsgrad logischerweise immer deutlich höher als in der Produktion
…
Welchen Vorteil haben Mehrschichtsolarzellen. Erkläre diese genau. (Probeexam)
Besonders hoher Wirkungsgrad
Photon gibt einen Teil seiner Energie in einer Schicht ab und kann den Rest in einer anderen Schicht abgeben (Licht vers. Wellenlängen nutzbar)
Photovoltaik - Rohmaterial
-> slide 48+49 Bilder zuordnen
…
Herstellung Monokristallin
Ablauf des Einkristall Tiegelziehens (Czochralski (CZ)-Verfahren) (Schmelzzüchtung)
Nenne die Reihenfolge beim Einkristall-Tiegelziehens! (4)
- Einschmelzen
- Mit Einkristall Impfen
- Drehen und langsam herausziehen
- herausziehen und abkühlen
(siehe slide 49, ordne auch Bildern zu)
Herstellung Monokristallin (aus Quarzsand)
Herstellung von Siliziumscheiben (Wafern) im Czochralski-Verfahren (CZ). (Schmelzzüchtung)
Nenne die wesentlichen Herstellungsschritte! (3)
- Herstellung von hochreinem Polysilizium aus Quarzsand
- Ziehen eines einkristallinen Si-Stabes
- Herstellung von Si-Schreiben aus Kristall
