Teil 3

1
Valenz- und Leitungsband
Die elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes wird durch freie Elektronen hervorgerufen.
Freie Elektronen können sich nur in dem sogenannten Leitungsband befinden, das
durch ein entsprechendes Energieniveau gekennzeichnet ist.
Elektronen in Energiebereichen mit vollbesetzten Niveaus sind nicht frei beweglich
und ergeben keine Leitfähigkeit.
Das letzte vollbesetzte Energieband ist das Valenzband.
Das zwischen Valenz- und Leitungsband liegende Energieniveau kann nicht
auftreten (verbotene Zone).
Die Eigenschaft Leiter, Halbleiter und Isolator wird durch die Breite der verbotenen
Zone bestimmt.
2
Spezifische Widerstände fester Körper
Der spezifische Widerstand kennzeichnet die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen. Er
ist damit ein Maß für die Breite der verbotenen Zone.
Der spezifische Widerstand ist material- und temperaturabhängig.
3
Die
Eigenleitung und Störstellenleitung
Eigenleitung
wird
durch
die
Bildung
freier
Elektronen
infolge
von
Temperaturerhöhung hervorgerufen (Anwachsen der kinetischen Energie der
Elektronen, so dass die verbotene Zone überschritten werden kann).
Die freien Elektronen hinterlassen eine Elektronenlücke (positives Loch). In einem
ungestörten Kristall ist die Anzahl von freien Elektronen und Defektelektronen gleich
groß.
Zur Erhöhung der Leitfähigkeit werden Störstellen in den Kristallgitteraufbau
eingebracht:
Donatoren-Fremdatome mit größerer Valenzelektronenzahl als das Gitteratom. Der
Halbleiter wird zum n-Leiter.
Akzeptoren-Fremdatome mit kleinerer Valenzelektronenzahl als das Gitteratom. Der
Halbleiter wird zum p-Leiter.
Im Bändermodell kann die Eigen- und Störstellenleitung veranschaulicht werden.
Die Ionisierungsenergie von Donator- und Akzeptor-Fremdatomen ist so gering (<
0,1 eV), daß bereits bei Raumtemperatur alle Störatome ionisiert sind.(Im Vergleich Germanium 0,75 eV, Silizium 1,12 eV).
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Der p-n-Übergang
Werden n- und p-Halbleiter zusammengebracht, entsteht eine hoch-ohmige
Raumladungszone, da die Überschusselektronen aus dem n-Gebiet in das p-Gebiet
diffundieren und die Defektelektronen in das n-Gebiet. Die Folge sind die Ausbildung
positiver und negativer Raumladungen ohne freie Ladungsträger.
Bei Anlegen einer äußeren Spannungsquelle wird die Breite der Raumladungszone
beeinflusst, was zu einer Diodenwirkung führt.
Die Diodenkennlinie im Durchlassbereich kann mathematisch beschrieben werden.
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Strom-Spannungskennlinien
Elektrische Strom- und Spannungsquellen sowie Verbraucher können mittels StromSpannungskennlinien beschrieben werden.
Ideale Spannungsquelle
:
Spannung ist konstant.
Im Kurzschlussfall fließen sehr hohe
Ströme.
Ideale Stromquelle
:
Strom ist konstant.
Im Kurzschlussfall ist der Strom auf
IK begrenzt.
Lichtbogenschweißgerät :
wie Spannungs- plus Stromquelle
Akkumulator
positive- und negative Ströme
:
Ideale Stromquelle
Ideale Spannungsquelle
Akkumulator
Lichtbogenschweißgerät
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Arbeitspunktbestimmung
Ohmscher Widerstand
: Lineare Kennlinie
Ventilator
: Stillstandskennlinie, Anlaufpunkt, Betriebskennlinie
Der Arbeitspunkt ergibt sich durch grafische Überlagerung der Kennlinien von
Spannungsquelle und Belastung.
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Der Photoeffekt
Der Photoeffekt beruht auf der Auslösung von Elektronen durch die absorbierte
elektromagnetische Strahlung. Zur Überwindung der verbotenen Zone muss die
Photonenenergie für Siliziumsolarzellen mindestens die Schwelle von 1,12 eV
erreichen, was einer maximalen Wellenlänge von 1,1 µm entspricht. (Nur der
„schwarze“ Bereich ist für Silizium nutzbar.)
Wenn unter Vernachlässigung aller Verluste jedes Photon (bei einer Einstrahlung
von 1000 W/m2 -entspricht 100 mW/cm2 - sind das 4,4x1017 Stück pro cm2 und
Sekunde) seine Energie abgibt, können pro cm2 70 mA generiert werden.
Als maximale Spannungsgenerierung kann das Energieniveau der verbotenen Zone
angesehen werden - für Silizium ergeben sich 1,12V.
Photonenenergie − Eph ( λ) =
h⋅c
λ
h − Planckkons tan te − 6,626 ⋅ 10−34 Js
c − Lichtgeschwindigkeit − 2,998 ⋅ 108 ms−1
λ − Wellenlä nge
Stromgenerierung − Il = q ⋅ N ⋅ A
q − Elektronenladundg − 1,602 ⋅ 10−19 C
N − Photonenzahl − 4,4 ⋅ 1017 cm−2s−1
A − Solarzellenflä che
Spannungsbildung − U =
Eg
Eg − Bandbreite(Silicium)
q
8
Der p-n-Übergang in der Solarzelle
Damit es im inneren der Solarzelle nicht zu unkontrollierten Stromflüssen kommt,
wird der Effekt der Raumladungszone am p-n-Übergang eines Halbleiters genutzt.
Die sich im Ergebnis der Raumladungszone (positiv im n-Gebiet und negativ im pGebiet) bildende Diffusionsspannung saugt die durch den Photoeffekt entstehenden
freien Elektronen aus dem p-Gebiet an und befördert sie in den n-Bereich während
Defektelektronen in das p-Gebiet befördert werden.
Damit wird ein elektrisches Potential angesammelt. Der Gleichgewichtszustand wird
erreicht, wenn dieses Potential gleich der Diffusionsspannung ist (entspricht der
Leerlaufspannung der Solarzelle).
9
Die „Standard“- Solarzelle
Die Standardsolarzelle besteht aus einem einfachen p-n-Übergang auf der
Grundlage von Silizium.
Als Trägermaterial dient die p-Schicht (Basis) - die n-Schicht bildet den Emitter.
9
Die Standard-Solarzelle
Die Umwandlung von Sonnenenergie in Elektroenergie erfolgt in nur einem Schritt.
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Halbleiter-p-n- Übergänge
Theoretisch sind alle Halbleitermaterialien zum Aufbau von Solarzellen geeignet.
Viele Halbleitermaterialien sind gute Lichtabsorber, d.h. es genügen einige
Mikrometer Halbleitermaterial (direct bandgap semiconductors).
Kristallines
Silizium
benötigt
zur
Lichtabsorption
eine
größere Wegstrecke
(Halbleiterdicke). Es zählt zu der Gruppe der indirect bandgrap semiconductors.
Zur Beeinflussung von Bandbreite und Raumladungszone können unterschiedliche
Halbleiter-p-n-Übergänge realisiert werden.
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Typische Solarzellenstrukturen
Zur Steigerung des Wirkungsgrades von Solarzellen sind verschiedene neue
Zellenstrukturen entwickelt worden:
NSW (Universität New South Wales - Australien) - PERL-Zelle, entwickelt für diffuse
Strahlung, erreichte Wirkungsgrade von 24%.
Stanford
(Stanford
Universität
-
USA)
-
Punktkontaktzelle,
entwickelt
für
Konzentratoranwendungen, Wirkungsgrad 18%.
Galliumarsenid (Weltraumzelle) - sehr teure Technologie, Wirkungsgrade bei 25%.
Amorphes
Silizium
-
kostengünstige
Solarzelle,
kritisch
sind
Degradationserscheinungen zu bewerten, Wirkungsgrade von ca. 8%.
Tandem-Strukturen - gestatten die bessere Nutzung der Photonenenergie.
die
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Das Ersatzschaltbild der Solarzelle
Im unbeleuchteten Zustand entspricht die Solarzellenkennlinie der einer Diode im
Durchlassbereich (I. Quadrant).
Bei Beleuchtung wird die Solarzelle zu einer Stromquelle, deren Stromstärke von der
Bestrahlungsstärke abhängt (IV.Quadrant).
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Die Kenngrößen der Solarzelle
Als Kenngrößen für eine Solarzelle gelten:
- Kurzschlussstrom
- Leerlaufspannung
- Spannung im Punkt maximaler Leistung
- Strom im Punkt maximaler Leistung
-
Maximale Leistung.
Häufig wird anstelle des MPP-Punktes vom Zellenhersteller der Strom bei einer
definierten Spannung (0,45 V) angegeben.
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Verluste in der Solarzelle
Bedingt durch die für Silizium erforderliche Photonenenergie von 1,12 eV und die
sich daraus ergebende maximale Wellenlänge von 1,1 µm können nur 48% der
einfallenden Sonnenstrahlung genutzt werden.
Von 100 mW Einstrahlung pro cm2 liegen 21mW außerhalb der erforderlichen
Wellenlänge.
31 mW sind überschüssige Energie (Wärmeverluste).
In folge weitere Verlustgrößen werden Wirkungsgrade von 14% erreicht (für
Labormuster 23%).
15
Das vollständige Ersatzschaltbild der Solarzelle
Mit den Elementen des Ersatzschaltbildes werden die wichtigsten Einflussparameter
auf die Kennlinie erfasst (außer dem Einfluss der Temperatur - s. Folie 3-20).
16
Einfluss der Ersatzwiderstände auf die Kennlinie
Beide Widerstände führen zu einer Abflachung der Kennlinie und damit zu einer
Leistungsreduzierung.
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Wirkungsgrade verschiedener Solarzellen
Auch wenn für Siliziumsolarzellen der theoretische Wirkungsgrad nur 20% beträgt,
wird eingeschätzt, dass die Siliziumtechnologie in den nächsten 10 bis 15 Jahren die
vorherrschende Technologie sein wird.
18
Spektrale Empfindlichkeit von Solarzellen
Das monokristalline Silizium kann einen größeren Bereich der Solarstrahlung nutzen.
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Lichtspektren
Es wird deutlich, dass künstliche Lichtquellen im Vergleich zum Sonnenlicht eine
andere spektrale Verteilung aufweisen.
Diese Tatsache ist bei dem Einsatz von Solarzellen im Indoor-Bereich zu
berücksichtigen.
Für den Aufbau von Sonnensimulatoren sind spezielle Lampen erforderlich, die zu
einem Anteil von mindestens 90% das Spektrum des Sonnenlichtes ergeben.
20
Der Einfluss von Einstrahlung und Temperatur
Die Einstrahlung wirkt sich in erster Linie auf den Kurzschlussstrom aus (direkt
proportional).
Die Temperatur hat Auswirkungen auf die Leerlaufspannung.
21
Die Kennlinie bei variabler Einstrahlung und Temperatur
Insbesondere der negative Temperatureinfluss ist ein Grund dafür, dass Solarzellen
in den Gebieten der Erde mit maximalen Einstrahlungen (Wüstengebiete) nicht
effektiv eingesetzt werden können.
22
Der Einfluss des Innenwiderstandes
Der Innenwiderstand einer
Solarzelle führt bei abnehmender
Einstrahlung zu einer Verschiebung
der Lage des MaximumPower-Points.
Diese Tatsache ist insbesondere
bei der Auslegung von
Systemen mit direkt betriebenen
Verbrauchern zu berücksichtigen.
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Kenngrößen der Standardzelle
Die angegebenen Kenngrößen sind typisch für eine monokristalline Solarzelle mit
den Abmessungen 100x100 mm.
Folgende Zellenabmessungen sind heute gebräuchlich:
- 100 mm rund
- 100 mm quadratisch
- 100 mm quasiquadratisch
- 125 mm quasiquadratisch
- 150 mm quasiquadratisch.
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Reihenschaltung von Solarzellen
Zur Erhöhung der verfügbaren
Solargeneratorspannung werden
Solarzellen in Reihe geschalten.
25
Die Konstruktion der Generatorkennlinie bei
Reihenschaltung
Bei den handelsüblichen Solarmodulen werden 36 Solarzellen in Reihe geschalten.
Damit ergeben sich Leerlaufspannungen von ca. 21V und MPP-Spannungen von ca.
16V. Mit diesem Spannungsbereich ist eine 12V-Batterie aufladbar.
Module mit 32 Zellen würden sich gleichfalls für 12V-Systeme eignen - es kann aber
bei erhöhten Umgebungstemperaturen zu Problemen kommen.
(Module mit 36 und mehr Solarzellen werden manchmal als „Tropentaugliche
Module“ bezeichnet.
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Die
I-U-Kennlinie zur Erläuterung des „Hot-Spot“
Reihenschaltung
der
Solarzellen
bedingt
zwei
mögliche
Teilabschattung einzelner Zellen in einem Modul:
1.
Bereits wenn eine Zelle abgeschattet ist, verhält sich das
Modul so, als ob alle in Reihe geschalteten Zellen abgeschattet
wären. Die Modulleistung nimmt drastisch ab.
2.
Infolge der Teilabschattungen kann es zu lokalen Überhitzungen
kommen (in der abgeschatteten Zelle).
Anhand eines Moduls mit 20 in Reihe geschalteten Zellen
wird dieser Effekt erklärt.
Von den 20 Zellen sei eine Zelle unterschiedlich beschattet.
Die Kennlinie der 19 verbleibenden Zelle ist „rot“ dargestellt.
Eine Zelle hat die Kennlinie „schwarz“.
Effekte
bei
27
Arbeitspunkte bei Zellenabschattung - Reihenschaltung
Die abgeschattete Zelle wird zum Verbraucher und auf ihrer Sperrkennlinie belastet.
Je nach Abschattungsgrad ergeben sich unterschiedliche Arbeitspunkte.
Die maximal auftretende Verlustleistung tritt auf, wenn der Arbeitspunkt im MPPPunkt der 19 unverschatteten Zellen liegt.
Im dargestellten Beispiel ist dieser Zustand bei einer ca. 10%-igen Abschattung der
Fall, was zu einer Verlustleistung von ca. 20W führt.
Eine derartige Verlustleistung führt zu einer überdurchschnittlichen Erwärmung der
abgeschatteten Zelle - ist jedoch verkraftbar.
Bei mehr als 19 in Reihe geschalteten Zellen (Modulen) kann die Verlustleistung so
hoch liegen, dass sich Delaminierungserscheinungen einstellen.
Zur Vermeidung solcher Verlustleistungen werden antiparallel „Bypassdioden“
geschalten, die den Arbeitspunkt zu kleinen Strömen verschieben.
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Die Auswirkungen einer Bypassdiode
Es ist zu erwähnen, dass die
Bypassdiode keine Verluste
erzeugt, da im normalen Betriebsfall
kein Strom durch die Diode fließt.
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Parallelschaltung von Solarzellen
Werden in einem Solargenerator größere
Ströme gefordert, können einzelne Zellen,
Strings oder Module parallel geschalten
werden.
Ein Solargenerator besteht im allgemeinen
aus:
- Solarzellen, in Reihe verschalten zu Strings
- Solarmodulen, bestehend aus in Reihe
bzw. parallel geschalteten Strings
- Strangs, bestehend aus in Reihe
bzw. parallel geschalteten Modulen.
30
Die Konstruktion der Generatorkennlinie bei
Parallelschaltung
Die Gesamtkennlinie wird durch
Addition der zu einem Spannungswert gehörenden Stromanteile
gebildet.
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Arbeitspunkte bei Zellenabschattung - Parallelschaltung
Wie bei der Reihenschaltung wird das abgeschattete Modul zum Verbraucher. Die
Kennlinie ergibt sich durch Spiegelung an der x-Achse (Parallelschaltung - gleiche
Spannung an den Modulen).
Bei zwei parallelgeschalteten Modulen ergibt sich der schlimmste Fall für ein
vollständig abgeschattetes Modul. Die Strombelastung des abgeschatteten Moduls
beträgt die Hälfte des Nennkurzschlussstromes.
Arbeiten unendlich viele
parallelgeschaltete Module
auf ein abgeschattetes,
fließt maximal der Nennkurzschlussstrom, der jedoch für das
abgeschattete Modul unkritisch ist.
Zur Vermeidung derartiger
Rückströme können Strangdioden
eingesetzt werden.
Der Nachteil der Strangdioden
liegt in den Durchlassverlusten
im normalen Betriebsfall.
Es sollten grundsätzlich als
Strangdioden Typen „Schottky“
eingesetzt werden
(Spannungsabfälle < 0,5 V).
32
Einsatz von Strangdioden
In dem Solargenerator sind alle Module und Stränge mit Schutzdioden versehen.
33
Sammelschienen- und Einzelstrangtechnik
Aus Gründen der Verluste im normalen Betriebsfall sind serielle Einzelstränge der
Sammelschienentechnik vorzuziehen.
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Typen von Solarzellen
In der Erforschung neuartiger Solarzellentypen wurde versucht, insbesondere die
Oberfläche zu vergrößern, um höhere Wirkungsgrade pro Flächeneinheit zu erzielen,
bzw. Halbleitermaterialien mit höheren theoretischen Wirkungsgraden einzusetzen.
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Erreichte Wirkungsgrade technisch interessanter
Solarzellen
Bei allen Solarzellentechnologien bestehen
Entwicklungsmöglichkeiten,
um die im Labor erreichten
Wirkungsgrade auch in der
Produktion zu erreichen.
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Wirkungsgrade von Silizium-Solarzellen und -modulen
Die kristallinen Solarzellen werden nach Art der Kristallzüchtung unterschieden:
- FZ-Si - Float-Zone-Kristallzüchtung-monokristallines Silizium
- Cz-Si - Czochralski-Kristallzüchtung-monokristallines Silizium
- mc-Si - multikristallines Silizium
- a-Si - amorphes Silizium.
Für kristalline Zellen gibt es unterschiedliche Zellentechnologien:
- PERL (passivated emitter and rear, locally diffused)
- LBSF (local back surface field)
- LGBC (Lasergrabenzelle).
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Wirkungsgrade von CdTe-Solarzellen und -modulen
Cadmiumtellurit (CdTe)
CSS- Verfahren zur Abscheidung der Absorberschicht
(Close-space-Sublimation).
Ein Problem besteht in der Umweltrelevanz der eingesetzten Cd-Verbindungen.
Kristalline Silizium-Film-Zellen
Die Technologie vereint die Vorteile der kristallinen Siliziumzelle mit den Vorteilen
der Dünnschichttechnologie.
Die Technologie befindet sich derzeit noch im frühen Laborstadium.
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Wirkungsgrade von GaAs-Solarzellen
Galliumarsenidzellen werden in Dünnschichttechnologie hergestellt.
Sie eignen sich insbesondere für Konzentratoranwendungen - sind jedoch für
terristische Anwendungen gegenwärtig zu teuer.
In der Herstellung sind die USA und Japan führend.
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Die Herstellungsschritte von Si-Solarzellen
Bedingt durch die Vielzahl der erforderlichen Herstellungsschritte ist eine
Solarzellenproduktion nur bei einer entsprechenden Stückzahl wirtschaftlich.
Eine im Auftrag von Greenpeace durchgeführte Studie belegt, dass für eine sinnvolle
Solarzellenproduktion eine jährliche Produktion von mindestens 5 MW erforderlich
ist.
40
Methoden der Siliziumtechnologie
Konventionelle Technologie
Herkömmliche, mit großen Erfahrungen belegte Technologie.
Semikonventionelle Technologie
Neue Verfahren in der Waferherstellung, noch aufwendige Arbeitsschritte und daher
mit höherem Prozessaufwand verbundene Zellentechnologie.
Unkonventionelle Technologie
Zur Kostenreduzierung wird das Ausgangsmaterial nur soweit gereinigt, wie es für
die Anwendung in Solarzellen für den terristischen Einsatz erforderlich ist.
Die Gewinnung der Solarzellen durch das Bandziehen macht ein späteres Sägen der
Wafer überflüssig - im Prinzip lassen sich Siliziumbänder bis zu 5m Länge ziehen.
40
Methoden der Siliziumtechnologie
Die polykristallinen
Silizium-Solarzellen
haben perspektivisch
eine gute Entwicklungschance, da bei gleichem
Herstellungsaufwand
wie für die monokristallinen Wafer
ein 10-facher
Produktionsausstoß
realisierbar ist
(Gießverfahren ist
effektiver als das
Czochralski-Verfahren).
Der geringere Zellenwirkungsgrad könnte durch die größeren Abmessungen der
Rohlinge und damit größere Zellflächen auf dem Markt ausgeglichen werden.
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Geräte in der Solarmodulproduktion
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Prinzipielle Modultechniken
Für die Verkapselung der Solarzellen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Als
transparentes Einbettungsmaterial wird Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) eingesetzt, das
bei 130 oC schmilzt.
Als Rückseitenfolie kommt TEDLAR zum Einsatz, während sich als lichtdurchlässige
Vorderfolie TEFLON eignet.
Bei großflächigen Modulen werden auch Einbett-Techniken mit Gießharzen
eingesetzt.