Photovoltaik II: Funktionsweise und elektrische Charakterisierung
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Photovoltaik II: Funktionsweise und elektrische Charakterisierung von Solarzellen aus kristallinem und amorphem Silizium 1. Einleitung In diesem Versuch sollen die elektrischen Eigenschaften, charakteristischen Parameter und die Funktionsweise von Solarzellen kennengelernt werden. Da es sich bei den Solarzellen um beleuchtete p/n-Übergänge aus kristallinem und amorphem Silizium handelt, sollen anhand dieses Versuchs auch die wichtigsten Grundlagen und Beschreibungsmodelle der Halbleiterphysik erschlossen werden. 2. Literatur 1. Zulassungsarbeit von Klaus Sindram: Elektrische Charakterisierung von Photovoltaikzellen aus kristallinem und amorphem Silizium 2. H. Ibach & H. Lüth: Festkörperphysik 3. R. Bube, Handbook of Semiconductors, S.691ff: Solar Cells 4. G. Diaz-Santanilla: Technik der Solarzelle 3. Vorbereitung a) Erläutern Sie mit Hilfe des Bänderschemas die für die Halbleiterphysik fundamentalen Begriffe Zustandsdichte, Fermiverteilung und Fermienergie, Ladungsträgerkonzentration, Dotierung, Majoritäts- und Minoritätsträger. b) Wie stellt sich in einem pn-Übergang eine Bandverbiegung ein und welche Mechanismen bestimmen sie quantitativ? c) Leiten Sie die I-U-Kennlinie einer Diode aus der Spannungsabhängigkeit von Feld- und Diffusionsstrom her. Welche Bedeutung hat der Diodenfaktor A? Wie verhält sich der p/n-Übergang unter Beleuchtung? 1 d) Skizzieren Sie die Kennlinie einer beleuchteten Solarzelle und erklären Sie daran die wichtigsten Parameter: offene Klemmenspannung U0 , Kurzschlußstrom IK , Punkt maximaler Leistung Pmax , Wirkungsgrad η, optimaler Lastwiderstand Ropt und Füllfaktor F. Welche Abhängigkeit besitzen IK und U0 qualitativ von der Strahlungsleistungsdichte? Was folgt daraus generell für die Benutzung von Photodioden als Lichtdetektoren. e) Beschreiben Sie den Aufbau und die Funktionsweise einer kristallinen und amorphen Siliziumsolarzelle. Stellen Sie dabei auch die wesentlichen Unterschiede heraus! 4. Versuchsdurchführung Im Versuch wird mit einer kristallinen Solarzelle und amorphen Solarzellen gearbeitet die in einen Halter eingebaut und kontaktiert sind. Von den amorphen Solarzellen befinden sich insgesamt 12 Stück auf einem Substrat. Davon sind vier Stück kontaktiert. Die folgenden Messungen werden jeweils mit der kristallinen Zelle und einer der kontaktierten amorphen Zellen durchgeführt. Die aktive Fläche der Solarzellen ist 3,9cm2 groß für die kristalline und 0,073cm2 für die amorphen Zellen. Wichtig: • Behutsam mit den Solarzellen umgehen! • Aufgabenstellung erst vollständig durchlesen, dann mit der Bearbeitung beginnen! 4.1 Messung der Dunkelkennlinien Durch Anlegen einer variierbaren Spannung an die abgedunkelten Solarzellen sollen die U-I-Kennlinien gemessen werden. Als Spannungsquellen werden unterschiedliche Batterie-Einheiten verwendet, die jeweils mit einem an die Solarzelle angepaßten Schutzwiderstand zur Strombegrenzung ausgerüstet sind. Um eine Zerstörung der Solarzellen zu vermeiden, dürfen diese Batterie-Einheiten nicht verwechselt werden! Tragen Sie die Meßwerte direkt während der Messung auf Millimeterpapier auf. Für die folgenden Versuchtsteile 4.2 bis 4.4 werden keine externen Spannungsquellen benötigt. Die Solarzellen werden unter Beleuchtung, also bezüglich Ihrer Kennlinie nur in dem für ihre Anwendung relevanten Quadranten, betrieben. Als Sonnensimulator wird eine Halogenlampe verwendet, deren Spektrum durch ein KG 2-Filter, 2 das den infraroten Spektralbereich abschneidet, dem Sonnenspektrum angenähert wird. Die Halogenlampe wird am rechten Ende der optischen Schiene angebracht und so ausgerichtet, daß sich die Glühlampe über der Schienenmitte befindet. Vor Beginn der Messungen sollte diese ca. 20 Minuten vorgeheizt werden. Positionieren Sie das KG2 Filter stets möglichst weit von der Lampe entfernt, um seine Wärmebelastung möglichst gering zu halten. Die Bestrahlungsstärke wird durch den Abstand von der Lampe variiert und mit einem Referenzdetektor (Silizium-Photodiode) mit einem Kalibrierfaktor von 10,63 cmW2 A bestimmt. Dieser Kalibrierfaktor gilt nur für die Verwendung der Halogenlampe mit KG 2-Filter als Lichtquelle (warum?). Ein Problem ist es den genauen Ort zu kennen, an dem die Lichtintensität mit dem Referenzdetektor gemessen wird bzw. an dem sich später die Solarzellenoberflächen befinden sollen. Als Hilfe sind auf den jeweiligen Bauteilen die Abstände der photoempfindlichen Flächen von den Mittelmarkierungen der Reiter aufgeführt (Referenzdetektor 34,0 mm, kristalline Solarzelle 7,0 mm und amorphe Solarzelle 10,3 mm ) 4.2 Messung der Kennlinien unter Beleuchtung Messen Sie die Kennlinien der kristallinen und der amorphen Solarzellen für zwei verschiedene Beleuchtungsintensitäten von σ ≈ 2,5 mW/cm2 und σ ≈ 25 mW/cm2 (ingesamt 4 Kennlinien). Überlegen Sie sich die Schaltung zur Aufnahme der Kennlinien und welche Potentiometer als Lastwiderstand gewählt werden Die Meßwerte sollen auch hier direkt während der Messung aufgetragen werden, um zu sehen, ob die Wahl der Meßpunkte sinnvoll war. 4.3 Untersuchung von IK und U0 in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke Messen Sie den Kurzschlußstrom IK und die offene Klemmenspannung U0 in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke des einfallendes Lichtes für beide Solarzellen. Erwärmungseffekte in der Nähe der Lampe können die Messung verfälschen. Wie können Sie sie vermeiden bzw. minimieren? 4.4 Feldversuch Bestimmen Sie Kurzschlußstrom und offene Klemmenspannung für beide Solarzellen unter der aktuellen Tageslichtbeleuchtung, indem Sie an einem Fensterplatz oder im freien bei möglichst guter Beleuchtung messen. Messen Sie die Beleuchutungsstärke mit dem Referenzdetektor. 3 U.U. beeinflußt wechselnde Bewölkung Ihre Messung. Schätzen Sie den dadurch bedingten Meßfehler ab. 5. Auswertung 5.1 Stellen Sie für beide Solarzellen die Dunkelkennlinie und beide gemessenen Hell-Kennlinien nochmals in einem gemeinsamen Diagramm dar. 5.2 Bestimmen Sie aus den vier Kennlinien unter Beleuchtung jeweils offene Klemmenspannung, Kurzschlußstrom, optimalen Lastwiderstand, Füllfaktor und Wirkungsgrad. Nach welchem geometrischen Kriterium kann der optimale Arbeitspunkt gefunden werden? 5.3 Tragen Sie die Meßergebnisse aus 4.3. auf drei Arten auf: Kurzschlußstrom IK vs. Strahlungsleistungsdichte σ; offene Klemmenspannung U0 vs. Strahlungsleistungsdichte σ und ln(IK ) vs. U0 . Bestimmen Sie aus der dritten Auftragung den Diodenfaktor. Welche Näherung müssen Sie dazu machen? Können Sie sie rechtfertigen? 5.4 Bestimmen Sie den Wirkungsgrad der beiden Solarzellen aus dem Feld” versuch“. Vergleichen Sie die Beleuchtungsbedingungen mit denen im Laborversuch und unter AM 1,5 (83 mW/cm2 ). Welchen Füllfaktor verwenden Sie? 4
