VL 9+10 - Photovoltaik Flashcards
Welche Strahlung nutzt Photovoltaik?
Globalstrahlung (direkt + diffus)
Photonen
kleinstmögliche Energiemenge an elektromagnetischer Strahlung einer bestimmten Frequenz
Halbleiter
Voraussetzung für elektrische Leitfähigkeit eines Materials sind freie Ladungsträger.
Freie Ladungsträger sind Elektronen, die nicht an Atomen verbunden sind.
In Halbleiter können Elektronen durch die Wechselwirkung mit Licht frei beweglich werden.
Bändermodell
die Energiezustände von Elektronen sind auf diskrete Energieniveaus (Bänder) beschränkt:
- Valenzband: Elektronen sind nicht frei beweglich.
- Leitungsband: Elektronen bewegen sich frei.
- Verbotene Zonen: die Elektronen können diese Energieniveaus nicht einnehmen.
Photoeffekt
Photonen mit einer Energie, die größer ist als der Bandabstand, erzeugen genau ein Elektron-Loch-Paar; die überschüssige Energie wird als Wärme an das Kristallgitter des Halbleiters abgegeben.
Photonen mit einer Energie, die kleiner ist als der Bandabstand, erzeugen keine Elektron-Loch-Paare.
Einteilung von Feststoffen nach elektrischer Leitfähigkeit
- Isolatoren: feste Bindung aller Elektronen an ihre zugehörigen Atomen. Eg > 3 eV
- Leiter: Elektronen sind im Kristallverbund frei beweglich.
- Halbleiter: Elektronen sind schwach an ihr Atom gebunden. Energiezufuhr kann die Bindung auflösen.
0,1 eV < Eg < 3 eV
Skizze VL 9, Folie 8
p-n-Übergang
Materialübergang in Halbleiterkristallen zwischen Bereichen mit entgegengesetzter Dotierung.
p-dotiertes Gebiet: freie Löcher, durch das Einfügen eines Akzeptor-Atoms (Bor) entsteht ein Defektelektron.
n-dotiertes Gebiet: freie Elektronen, durch Einfügen eines Donator-Atoms (Phosphor) wird ein Elektron freigesetzt.
VL 9, Folie 9
Aufbau einer Solarzelle
VL 9, Folien 10-11
Wie ist der maximale Wirkungsgrad einer Solarzelle begrenzt?
- Bei kleinem Bandabstand wird nur wenig Energie des Photons genutzt.
- Bei großem Bandabstand erzeugen nur wenige Photonen ein Elektron-Loch-Paar.
Was ist der maximale Wirkungsgrad einer Solarzelle?
maximale Wirkungsgrad (33%) bei 1,1 eV erreicht (Shockley-Queisser-Grenze)
Wie wird der Wirkungsgrad einer Solarzelle erhöht?
Durch Kaskadenanordnung der Zellen (Multijunction-Solarzellen)
Verlustmechanismen einer Solarzelle
- Reflexion 3%
- Absorption ohne Ladungsträgererzeugung (h*f < Eg) 23%
- Verluste an Ladungsträgerenergie (h*f > Eg) 32%
- Diffusionsverluste von erzeugten Ladungsträgern 5%
- Spannungsverluste in der Feldzone 15%
- Füllfaktorverluste 7%
elektrisches Ersatzschaltbild
Skizze VL 9, Folie 15
Photostrom: beschreibt die generierten Ladungsträger, die durch optische Anregung generiert werden, und ist proportional zur Einstrahlung.
Diffusionsstrom und Rekombinationsstrom: sie vermindern den Photostrom um die Ladungsträger, die aufgrund von Rekombination und Diffusion nicht an die Oberfläche der Solarzelle gelangen (steigen bei höherer Temperatur).
Widerstände beschreiben die Verluste der Solarzelle:
- Reihenwiderstand: umfasst den Widerstand des Halbleitermaterials, die Widerstände der Metallkontaktierung auf Vorder- und Rückseite der Solarzelle und die Kontaktwiderstände zwischen Halbleiter und Metallkontakten.
- Parallelwiderstand: beschreibt Leckströme, die am p-n-Übergang oder an den Kanten der Solarzelle durch Kristalldefekte fließen.
Strom-Spannungs-Kennlinie
Beschreibt alle möglichen Wertepaare für Strom und Spannung, die bei einer bestimmten Einstrahlung und Temperatur gemessen werden können.
Kurzschlussstrom
Strom, der sich ohne elektrischen Verbraucher einstellt.
Leerlaufspannung
Spannung, die sich an den offenen Klemmen einstellt.
Maximum Power Point (MPP) in Strom-Spannungs-Kennlinie
Punkt mit der maximal abrufbaren elektrischen Leistung.
Extra:
die elektrische Belastung einer Solarzelle, eines Solarmoduls oder von mehreren in Reihe geschalteten Solarmodulen wird so angepasst, dass den Zellen die größte mögliche Leistung entnommen werden kann.
–> von der Bestrahlungsstärke, der Temperatur am Solarmodul und dem Typ der Solarzellen abhängig.
Füllfaktor
Quotienten aus maximaler Leistung (Leistung = Stromstärke * Spannung) am MPP und dem Produkt aus aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom.
Einfluss der Einstrahlungsleistung
Strom proportional zu Bestrahlungsstärke.
Hohe Temperaturen haben negativen Einfluss auf die Zellleistung und die Verluste nehmen zu.
Standard-Test-Conditions (STC)
25°C Zelltemperatur
1000 W/m2 Einstrahlung
1,5 AM (AirMass, berücksichtigt Streeung und Absorption des Lichtes in der Atmosphäre)
Angabe der Modulleistung in Maximalleistung W_peak bei STC
Verschaltung von Solarzellen
- Reihenschaltung: alle Solarzellen führen denselben Strom, die Spannung ergibt sich aus der Summe der Einzelspannungen.
- Parallelschaltung: über allen Sollarzellen fällt dieselbe Spannung ab und die Summe der Ströme der einzelnen Solarzellen ergibt den Gesamtstrom.
Was passiert bei Modul-Verschattung?
- eine verschattete Solarzelle wirkt wie eine in Sperrrichtung geschaltete Diode.
- die Leistung des Moduls verringert sich um mehr als nur die Leistung der betroffenen Zelle.
- übrige Zellen versuchen ihren Strom durch die verschattete Zellen zu treiben
- -> verschattete Zelle erhitzt sich stark und kann zerstört werden (Hot Spot)
Mögliche Lösungsansätze von Verschattungen
- Bypassdioden parallel zur Solarzelle: führen den Strom an der Solarzelle vorbei.
- Vermeidung von Verschattungsfällen bereits in der Planung.
Aufbau eines kristallinen PV-Moduls
- Rahmen: Schutz der Glaskanten und Befestigung
- Glas: Schutz vor Witterungseinflüssen, muss hohen Transmissionsgrad aufweisen.
- Zellverkapselung
- Modulrückseite
- Anschlussdose: zur Verschaltung mehrere Module zu PV-Generator oder Unterbringung der Bypassdioden.
Typisches PV-Modul
36-144 Solarzellen
Modulleistung: 100-365 W
Komponenten einer PV-Anlage
PV-Module Wechselrichter PV-Zähler Zwei Energierichtungszähler Monitoring-System
Funktionen von Solarwechselrichter
- Umrichtung von Gleichstrom in Wechselstrom
- MPP-Tracker: regelt den Betriebspunkt der PV-Module, sodass unabhängig von der Temperatur und Einstrahlungsleistung die maximal mögliche Leistung entnommen wird.
Arten von Stromrichter
- Gleichrichter: Umrichten von Wechselstrom in Gleichstrom.
- Wechselrichter: Umrichten von Gleich- in Wechselstrom
- Umrichter: Änderung der Wechselstromamplitude und -frequenz.
Kostenanteile einer PV-Anlage
de mayor a menor
- Solarmodule 61%
- Wechselrichter 24%
- Montage 11%
- Netzanschluss 5%
Problematik von PV-Anlagen bei Bränden oder Überflutungen
- hohe Spannungen und Ströme behindern Löscharbeiten.
- Überflutete Bereiche in Gebäuden mit PV-Anlagen dürfen nicht betreten werden
Aufständerung
- Fest ausgerichtete Systeme:
- Dachanlagen
- Freiflächenanlage
- Nachgeführte Systeme: zur Minimierung des EInfallswinkels zwischen Sonneneinstrahlung und der Flächennormalen
- einachsige Systeme: nach Lage er Rotationsachse klassifiziert (vertikale und Azimuth-Nachführung)
- zweiachsige Systeme
Aufständerung auf Schrägdach (Aufdach)
Vor- und Nachteile
+ keine Eigenverschattung
+ vollständige Flächennutzung
- Ausrichtung nicht immer optimal
Aufständerung auf Schrägdach (Indach)
Vor- und Nachteile
+ keine Eigenverschattung
+ vollständige Flächennutzung
- nur für Dachneubau
- schlechte Hinterlüftung
Aufständerung auf Flachdach (Aufdach)
Vor- und Nachteile
+ optimale Neigung
+ optimale Ausrichtung
+ gute Hinterlüftung
- Eigenverschattung
Aufständerung auf Flachdach (Indach)
Vor- und Nachteile
+ keine Eigenverschattung
- keine Selbtstreinigung
- ungünstige Ausrichtung
- schlechte Hinterlüftung
Aufständerung als Sonnenschutzelemente
Vor- und Nachteile
+ Nutzung als Sonnenschutz
+ optimale Ausrichtung
+ gute Hinterlüftung
- Eigenverschattung
Aufständerung auf Fassade
Vor- und Nachteile
+ Nutzung als Sonnenschutz mit transparenten Modulen
+ keine Eigenverschattung
- ungünstige Ausrichtung
- schlechte Hinterlüftung
Arten von Silicium-Zellen
- monokristallin
- polykristallin
- amorph
Monokristalline Silicium-Zellen
besteht aus Kristall, dessen Atome regelmäßig angeordnet sind. Hoher Wirkungsgrad.
Erscheinungsbild: abgerundete Ecken, dunkelblau bis schwarz
Herstellungsprozess einer monokristallinen Silicium-Zelle
- hochreines Silicium schmelzen
- Czochraslki-Verfahren
- Einkristall (Ingot)
- Zuschneiden (halbrund: Kompromiss aus Materialausnutzung und Ausnutzung der Fläche auf dem PV-Modul)
- In Scheiben sägen und Dotierung einbringen
- Antireflexschicht sowie Front- und Rückkontakte aufbringen
Polykristalline Silicium-Zellen
Besteht aus Kristallen, die nicht überall die gleiche Kristallorientierung haben. Niedrigerer Wirkungsgrad.
Erscheinungsbild: eisblumenartiges Muster, blau, rechteckiger Zuschnitt
Herstellungsprozess einer polykristallinen Silicium-Zelle
- hochreines Silicium schmelzen
- klassische Gießverfahren (Bridgman-Verfahren), Abkühlung im Schmelztigel
- in kleinere Blöcke zerteilen (Brikettieren) und in Scheiben (Wafer) Sägen
- Dotierung einbringen; Antireflexschicht sowie Front- und Rückkontakte aufbringen
Amorphe Silicium-Zellen
dünne, nicht-kristalline Siliziumschicht.; niedrigerer Wirkungsgrad bei direkter Sonneneinstrahlung.
Geringe Wirkungsgradverluste bei kleinen Bestrahlungsstärken und bei höheren Temperaturen.
Erscheinungsbild: homogene dunkle Oberfläche, nicht aus einzelnen Wafern zusammengesetzt
Degradation / Staebler-Wronski-Effekt
Amorphe Solarzellen
in den ersten 1000 Betriebsstunden vermindert sich der Wirkungsgrad rund um 1/4
Herstellung einer amorphe Silicium-Zelle
- Aufdampfen einer Silicium-Schicht auf ein Trägermaterial: Kathodenzerstäubung, Vakuumaufdampfen, CVD (Chemichal Vapor Deposition)
- Dotierung erfolgt über Beimischung entsprechender Dotiergase
Monokristalline Zellen
Vor- und Nachteile
+ hoher Wirkungsgrad
- teuer
- energieintensive Herstellung
Weitere Halbleitermaterialien
Cadmiumtellurid (CdTe)
Perowskit (CaTiO3)
Galliumarsenid (GaAs)
Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS)
Cadmiumtellurid (CdTe)
Eigenschaften
- bessere Wirkungsgrade als Silicium bei diffuser Strahlung
- geringe Empfindlichkeit ggü. Temperaturschwankungen
- Gesundheitsschädlich
- geringe Energierücklaufzeit (energy payback time)
Galliumarsenid (GaAs)
- Gallium und Arsen sind teurer/seltener als Quarzsand (Silicium)
- Arsen ist giftig
- technisch aufwändige Kristallzüchtung
- komplexe Entsorgung
- nur in Spezialgebiete anwendbar
Perowskit (CaTiO3)
- geringe Herstellungskosten (geringere Reinheiten als bei Silicium erforderlich, niedrige Energierücklaufzeit)
- hoher Wirkungsgrad
- geringe Haltbarkeit und hohe Degradation
- empfindlich ggü. Feuchtigkeit
- notwendiger Anteil von Blei in Zellen
Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS)
- biegsame Struktur
- geringer Materialverbrauch, kostengünstige Herstellung
- geringe Energierücklaufzeit
- Indium ist selten
- hohe Wirkungsgrad
Funktionsprinzip der Multijunction-Zellen
die oberste Schicht absorbiert Licht mit kurzer Wellenlänge (hoher Energie) und lässt langwelliges Licht durch.
die zweite Solarzelle (darunter) absorbiert einen Teil des Spektrums bis zu einer Grenzwellenlänge.
Materialien von den am meisten verbreiteten Multijunction-Zellen
Galliumindiumphosphid
Galliumindiumarsenid
Germanium
Anwendung von Multijunction-Zellen
Energieversorgung von Satelliten und Concentrator PV
Organische Solarzellen
Besteht aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen mit einer speziellen Elektronenstruktur (π-Elektronensystem)
Unter Lichtstrahlung wird das organische Material angeregt und gibt ein Elektron ab. Diese werden über metallische Elektroden gesammelt und abgeführt.
Aufbau einer organischen Solarzelle
- Elektrode (Indiumzinnoxid, Metall)
- elektronisches, organisches Material
- Elektrode (Al, Mg, Ca)
Herstellung organischer Solarzellen
Rolle-zu-Rolle-Verfahren (R2R)
Druck elektronischer Bauteile auf flexiblen Kunststoff- oder Metallfolien.
Einsatz von typischen Massendrucktechniken.
Organische Solarzellen
Vor- und Nachteile
+ geringe Herstellungskosten
+ können auf flexiblen Materialien aufgebracht werden
+ Transparenz und einfache Handhabung
+ energieeffiziente Herstellung
- geringe Wirkungsgrade
- Langzeitstabilität der organischen Verbindungen ungenügend
Farbstoff-Solarzelle
- statt Halbleitermaterialien werden organische Farbstoffe verwendet
Lichtenergie wird von Farbmolekülen absorbiert.
Elektronen lösen sich aus den Farbmolekülen und wandern durch die Titanoxidschicht zur Anode.
Farbstoff-Solarzelle
Vor- und Nachteile
+ Stromerzeugung auch bei diffusem Licht
+ geringe Kosten und einfache Herstellung
- geringer Wirkungsgrad
Konzentrator Photovoltaik
mit einfachen, preiswerten optischen Vorrichtungen die Solarstrahlung auf eine kleine, teure und effiziente Solarzelle bündeln
–> hochkonzentrierende Systeme: nur direkte Solarstrahlung nutzbar, Nachführsysteme notwendig, aktive oder passive Kühlung der Zelle notwendig
Konzentrator Photovoltaik
Arten
- gering konzentrierende Systeme: V-Trog, Konzentrationsfaktor 1,5-2,5
- hoch konzentrierende Systeme: Fresnel-Linsen, Konzentrationsfaktor 500, punktfokussierende Spiegelsysteme
Energetische Amortisationszeit
Energy Payback Time
Zeit, die benötigt wird, um so viel Energie (Strom) zu erzeugen wie für die Herstellung, den Betrieb und die Beseitigung der Anlage benötigt wird.
Was ist der Treiber für den hohen Energieaufwand bei der Produktion von Solarzellen?
der hohe Reinheitsgehalt des Siliciums
