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Photovoltaik kristalline Solarzellen

Photovoltaik Solarzelle monokristallin
Solarzelle monokristallin
Photovoltaik Solarzelle polykristallin
Solarzelle polykristallin

Silizium, das Standardmaterial für Solarzellen, ist eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste und kommt in unreiner Form im Quarzsand vor. Um das Silizium rein zu machen, also aus dem Quarzsand zu gewinnen, müssen durch unterschiedliche Prozesse mit Temperaturen zwischen 1300C° bis 1800 C° Reduktionen (Säuberungen)  stattfinden. Dieser Prozess benötigt einen erhöhten  Energieaufwand. Die energetische amortisation liegt in der Regel bei 3-4 Jahren. Dies bedeudet, die Solarzelle hat nach 3-4 Jahren eine grüne Bilanz.

Schon in wenigen Jahren könnten Photovoltaik-AnlagenPhotovoltaik-Anlagen
Was bedeudet Photovoltaik? -> Lexikoneintrag
aber nochmals aufgeholt haben. Viele Modulhersteller beginnen, dünnere Solarzellen als bisher zu bauen um somit auch weniger Energie für die Produktion zu verbrauchen. Man wird mit der Materialreduktion fortfahren und den Energieaufwand weiter senken. In zehn Jahren, so seine Schätzung, werde sich der Energieverbrauch der Photovoltaikherstellung nach nur einem Jahr Betriebsdauer amortisieren. Bei zwanzig Jahren Garantie, die Hersteller auf Photovoltaikanlagen heute meist geben, eine ausgezeichnete Bilanz.

Je mehr erneuerbare Energienerneuerbare Energien
Was bedeudet alternative Energien? -> Lexikoneintrag
man für die Herstellung der Solaranlagen verwenden kann, desto schneller amortisiert sich diese Technik.

Ein theoretischer Wirkungsgrad bis zu 38% wird in den kommenden Jahrzehnten erwartet.

Funktionsweise einer Photovoltaik Solarzelle

Um die Funktionsweise einer Solarzelle zu verstehen, muss man sich zuerst das Bohrsche Atommodell ansehen. Zuerst betrachtet man das Atommodell für einzelne Atome.

Auf Kreisbahnen mir dem Radien rn bewegen sich die Elektronen um den Atomkern mit einer bestimmten Kreisfrequenz. Hierbei entsteht eine Zentrifugalkraft. Zwischen dem Atomkern der aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen besteht, herrscht zudem eine anziehende Kraft, die sich Coulomb-Kraft nennt. Coulomb-Kraft und Zentrifugalkraft befinden sich in einem Gleichgewicht, weshalb die Elektronen genau Ihre Kreisbahnen beibehalten.

Führt man dem Atom Energie zu, so kann man deren Elektronen auf höhere Bahnen anheben. Die vollständige Lösung vom Kern wird Ionisation genannt. Die Energie aus den Photonen und die entsprechende Wellenlänge des Lichts sind dazu in der Lage Elektronen auf höhere Bahnen anzuheben. Man spricht hier vom äußeren Photoeffekt. Beim äußeren Photoeffekt sind aber Röntgenstrahlen notwendig.

Bei der PhotovoltaikPhotovoltaik
Was bedeudet Photovoltaik? -> Lexikoneintrag
muss aber das sichtbare, ultraviolette und infrarote Licht, bei denen die Photonen deutlich weniger Energie haben, genutzt werden. Hier nutzt man nun den inneren Photoeffekt.

Energiezustände

Energiezustände Elektronen
Energiezustände

Bei Einzelatomen haben die Elektronen genau definierte Energiezustände.

Bei Molekülen mit mehren Atomen und identischem Energieniveau der Elektronen, werden durch die Wechselwirkung der Elektronen diese Energieniveaus in benachbarte Niveaus aufgespaltet.

Bei Festkörpern liegen die Niveaus so dicht nebeneinander, dass sie nicht mehr getrennt werden können. Es entstehen so genannte Energiebänder, die eine begrenzte Anzahl von Elektronen aufnehmen können.

Photovoltaik Energiebänder

Photovoltaik Energiebänder
Energiebänder

Das oberste völlig gefüllte Band nennt man Valenzband (VB). Das nächst höhere teilweise gefüllt oder leere Band nennt man Leitungsband (LB). Der Bereich zwischen diesen beiden Bändern wird als verbotene Zone (VZ) oder Bandabstand Eg bezeichnet.

Bei einem Festkörper, der ein Leiter ist, ist das Leitungsband teilweise mit Elektronen besetzt, oder das Valenzband überlappt mit dem Leitungsband. Der Widerstand bei Leitern ist sehr gering 10-5 Ohmmeter. Metallische Werkstoffe sind in der Regel gute Leiter.

Bei einem Festkörper, der ein Isolator ist, ist das Leitungsband nicht mit Elektronen besetzt und zudem deutlich weiter vom Valenzband entfernt. Elektronen können nur sehr selten und nur mit hohem Energieaufwand vom Valenzband in das Leitungsband angehoben werden.  Der Widerstand bei Isolatoren ist sehr hoch 107 Ohmmeter.

Bei einem Festkörper, der ein Halbleiter ist, ist das Leitungsband nicht mit Elektronen besetzt aber deutlich näher am Valenzband. Durch Belichtung können die Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband angehoben werden. Der Widerstand bei Halbleitern reicht  von 10-5 Ohmmeter bis 107 Ohmmeter. Durch Belichtung (Energie der Photonen) können Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband angehoben werden. Diesen Vorgang nennt man innerer Photoeffekt.

In der PhotovoltaikPhotovoltaik
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werden genau diese Halbleiter verwendet. In der Regel werden hierfür Elementarhalbleiter der IV Hauptgruppe des Periodensystems verwendet. Dazu zählen Si – Silizium, Ge – Germanium, oder Sn – Zinn. Diese besitzen vier Valenzelektronen im Valenzband.

Es ist aber möglich, Elemente aus der III mit Elementen V Hauptgruppe zu einem Halbleiter zu verbinden. Dazu zählen GaAs – Galliumarsenid, InSb – Indiumantimonid oder InP – Indiumphosphid. Als Verbindung besitzen sie nun auch vier Valenzelektronen im Valenzband.

Ebenso ist es möglich, Elemente aus der II mit Elementen VI Hauptgruppe zu einem Halbleiter zu verbinden. Dazu zählen CdTe – Cadmiumtellurid, ZnSe – Zinkselenid oder HgSe – Tiemannit. Als Verbindung besitzen sie nun auch vier Valenzelektronen im Valenzband.

Photovoltaik und Silizium

Eigenleitung Ssilizium Photovoltaik
Eigenleitung Silizium. Hier ist n=p

Das am häufigsten verwendete Material in der PhotovoltaikPhotovoltaik
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ist das Silizium. Weil es in  sehr großen Mengen in der Erdkruste enthalten ist. Nimmt man allerdings reines Silizium, kommt es nur zu einer so genannten Eigenleitung des Halbleiters. Löcher und freie Elektronen treten immer paarweise auf. n ist die Elektronendichte und p die Löcherdichte.

Die bei Belichtung (durch Energie der Photonen) entstehende Eigenleitung ist aber nicht zur Stromproduktion geeignet.

Nun muss man auf die so genannte Störstellenleitung zurückgreifen. Fremdatome aus der V Hauptgruppe wie zum Beispiel P – Phosphor die 5 Valenzelektronen besitzen, werden zu einem millionsten Teil in das Siliziumgitter eingebracht. Man spricht von der so genannten Verunreinigung respektive Dotierung des Halbleiters. Da das fünfte Elektron keine feste Bindung mit einem Nachbarelektron eingehen kann, ist es nur sehr locker gebunden und kann mit einem zugeführtem niedrigen Energieniveau getrennt werden. Diese Dotierung wird n-Dotierung genannt und beinhaltet mehr freie Elektronen als Löcher. Der Halbleiter wird n-leitend. Die Fremdatome heißen Donartoren.

Photovoltaik Störstellenleitung
Störstellenleitung

Fremdatome aus der III Hauptgruppe wie zum Beispiel B – Bor die 3 Valenzelektronen besitzen, werden ebenfalls zu einem millionsten Teil in das Siliziumgitter eingebracht. Auch hier spricht man von der so genannten Verunreinigung respektive Dotierung des Halbleiters. Da das Boratom nur 3 Valenzelektronen hat, entsteht im Kristallgitter ein Loch. Durch ein zugeführtes niedriges Energieniveau kann das Loch sich frei im Kristallgitter bewegen. Diese Dotierung wird p-Dotierung genannt und beinhaltet mehr freie Elektronen als Löcher. Die Fremdatome heißen Akzeptoren.

Kontaktiert man nun den p-dotierten Halbleiter mit dem n-dotierten Halbleiter so entsteht ein pn-Übergang (Übergangsbereich). Der Überschuss an Elektronen aus der n-dotierten Schicht diffundiert (verteilt sich) in die p-dotierte Schicht und der Überschuss an Löchern diffundiert (verteilt sich) in die n-dotierte Schicht. Am Übergangsbereich entstehen auf der n-dotierten Seite eine positive und an der p-dotierten Seite eine negative Raumladungszone. Durch dieses zurückbleiben von negativen bzw. positiven Dotieratomen baut sich ein elektrisches Feld in der Raumladungszone auf.

Durch die Belichtung (Energie der Photonen) wandern nun die Elektronen in das p-dotierte Gebiet und die Löcher in das n-dotierte Gebiet zurück. Es findet eine Ladungstrennung statt. Nimmt man die so entstehende elektrische Aufladung der beiden Gebiete mit Metallkontakten auf, so fließt Strom, der so genannte Photostrom.

Aufbau einer Photovoltaik Solarzelle

Aufbau einer Photovoltaik Solarzelle
Aufbau einer PhotovoltaikPhotovoltaik
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Solarzelle

1. Die Wellenlänge des eintreffenden Lichts und somit die Energie der Photonen sorgt für die Ladungstrennung. Die Elektronen wandern zur negativen Elektrode, die Löcher zur positiven Elektrode. Es fließt Photostrom zum Verbraucher.

2. Ein Teil der Elektronen rekombinieren mit den Löchern und können somit nicht zum Verbraucher gelangen.

3. Ein Teil des eintreffenden Lichts wird reflektiert.

4. Ein Teil des eintreffenden Lichts geht ungenutzt durch den Halbleiter.

Solarzellen sind wie folgt von oben nach unten aufgebaut:

  1. Transparente Schutzschicht (Glas)
  2. Negative Elektrode
  3. Negativ dotierter Halbleiter n-dotiert
  4. Übergangsbereich pn-Übergang
  5. Positiv dotierter Halbleiter p-dotiert
  6. Positive Elektrode +
  7. Träger

 

Bei Wellenlängen ähnlich dem Bandabstand wird nicht die ganze eintreffende Strahlungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Für die Solarzelle ist der Anteil der nutzbaren Strahlungsenergie wesentlich von der Wellenlänge des eintreffenden Lichts und der spektralen Empfindlichkeit  abhängig. Dies nennt man auch den externen Quantensammelwirkungsgrad.

Spektrale Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

Quantensammelwirkungsgrad Photovoltaik Solarzelle
Quantensammelwirkungsgrad Solarzelle

Schließt man eine Solarzelle kurz fließt der Photostrom. Diesen Strom kann man aber auch durch die Solarzellenoberfläche A, der spektrale Empfindlichkeit S und des Spektrums des Sonnenlichts berechnen. Außerdem hängt es noch der Halbleiterdicke d und dessen Absorptionskoeffizienten Alpha ab.

Deshalb unterscheidet man zwischen direkten und indirekten Halbleitern. Der Absorptionskoeffizient von indirekten Halbleitern wie Silizium ist deutlich niedriger als der von direkten Halbleitern wie zum Beispiel GaAs – Galliumarsenid.

Silizium hat einen Absorptionskoeffizient von  ungefähr 640mm-1. Einer hohen Absorption bedarf es mindestens einer Dicke von 200 Mikrometern.

Galliumarsenid hat einen Absorptionskoeffizient von  ungefähr 7,5 mm-1. Einer hohen Absorption bedarf es mindestens einer Dicke von 2,5 Mikrometern.

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