Si-Solarzellen

Präsentation von:Frank Hokamp & Fabian Rüthing

Inhaltsverzeichnis

Vorteile / NachteileAnwendungsgebiete / PotentialGeschichteSiliciumWirkungsweise / FunktionsprinzipTypen / HerstellungsverfahrenAussichten für die Zukunft

Vorteile Regenerative EnergiequelleUnbegrenzte VerfügbarkeitUnabhängig von fossilen und atomaren EnergieträgernProduktion erzeugt wenig KohlenstoffdioxidStromerzeugung selbst aber nicht

Vorteile

saubere Technologie, die umwelttechnisch unbedenklich istNetz- und Infrastrukturunabhängig

dezentrale Versorgung möglich

Nachteile

Großer FlächenbedarfKeine kontinuierliche StromerzeugungSchlechte Möglichkeiten Strom zu speichernLeistung stark ortsabhängigSchlechte „Transportwege“Unterschiede in der Effizienz

Anwendungsgebiete

Dezentrale Stromversorgungz.B. Raumfahrzeugen

TaschenrechnerParkuhren

Warmwasserbereitung

Potential

Potential

Potential

Geschichte

1839 Batterie im Sonnenlicht hat höhere Leistung (Antoine Becquerel)1893 erste Solarzelle zur Erzeugung von Elektrizität. (Selen)1904 Lichtstrahlen lösen beim Auftreffen auf bestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberfläche

erste Erklärungen für den Effekt der Photovoltaik-Effekt deutscher PhysikerPhilipp Lenard (1905 Nobel-Preis),

Geschichte

1949 Effekt des Kristallgleichrichters(pn-Übergang/Sperrschicht W. Shockley)1950 Bau der ersten wirtschaftlichen Solarzelle durch Zufall. Gleichrichter aus Silicium (damals neues Material) hatte bessere Werte bei Sonneneinstrahlung1953 Fertigung der ersten Solarzelle (µ ~ 4-6%)

Geschichte

1958 Erste Nutzung in der Raumfahrt Satellit Vanguard I besaß 108 Si-Solarzellen mit einem µ von 10,5 % (heutige Raumfahrzeuge rund 40.000 Zellen)

Seit 1958 Verbesserung des Wirkungsgrad durch reineres Silicium und bessere Dotierungsmöglichkeiten

Silicium

Kristallstruktur: α-SiliciumSchmelztemperatur: 1410°CSiedetemperatur: 2477 °CDichte: 2,328 g/cm3

relative Atommasse: 28,0855 uHalbmetall

Silicium

26% Massenanteil in der Erdrindein der Natur liegt Silicium in Form von Siliciumdioxid und Silikaten vorBsp.: Bergkristall SiO2, Quarz, Kieselstein, Amethyst, Glimmer, ….

Silicium / HerstellungRohsilicium: Durch Reduktion von Siliciumdioxid mit C im Lichtbogenofen (ca. 2000°C) wird elementares Silicium gewonnenSolarsilicium: Reinigen des Siliciumdurch Siemens Verfahren in SiSg

polykristalline Silicium (Polysilicium) Reinheit 99,99%

Silicium / Herstellung

Halbleitersilicium: Schmelzen des Polysilicium und Anlagerung an Impfkristall aus hochreinem monokristallinen Silicium(Tiegelziehen) Verunreinigung verbleibt in der Schmelze.Alternativ Zonenschmelzen mit einer ringförmigen elektrischen Induktionsheizung.

Funktionsprinzip

Halbleiter bestehen aus Silicium, Germanium oder Gallium-ArsenidGallium-Arsenid ist das beste Material, da höchste Elektronenbeweglichkeit allerdings sehr teuerDeshalb wird Silizium genommen, denn das gibt es “wie Sand am Meer“p- und n-Dotierung

Funktionsprinzip

Siliciumkristall besteht aus IV-wertigem Si – AtomenDie vier Außenelektronen bauen Gitter aufGitter wird dotiert

Funktionsprinzip

p- Dotierung:Si- Atome werden durch III-wertigeAtome ersetztGallium, Aluminium, Indium, BorAkzeptoren sorgen für „Löcher“, „Defektelektronen“

Schicht ist etwa 0,6 mm dick

Funktionsprinzipn-Dotierung:5-wertige Elemente wie Phosphor und ArsenSchwach ortsfester Elektronenüberschuss durch DonatorenSchicht ist etwa 0,001 mm dick

Anzahl der Akzeptoren = Anzahl der Löcher,Anzahl der Donatoren = Anzahl der überschüssigen Elektronen

Funktionsprinzip

Ladung ist frei beweglich und kann Strom leitenp- und n- dotierte Halbleiter werden übereinander angelagert, die Phase dazwischen heißt p/n- Übergang

Funktionsprinzip

MonokristallineSolarzellenHohe Effizienz bis 20%(noch) extrem teuerGleichmäßig glatte Oberfläche, gebrochene EckenHerstellung aus Halbleitersilicium(Wafern)Wafer wird in passende Scheiben geschnitten

Polykristalline Solarzellen

Gute Effizienz (16-19%)Mittlere HerstellungskostenAm weitesten verbreitetUnregelmäßige OberflächeEinzelne Kristalle gut erkennbar

Polykristalline Solarzellen

GießverfahrenSi schmelzen (Induktionsheizung)Gießen in große Wannen und langsames abkühlen

Bridgman-VerfahrenSi schmelzen (Induktionsheizung)Heizung langsam nach oben verschieben Si erstarrt am von Boden nach oben

o Entstehen durch schnelles Abkühlen oder aus der Gasphase heraus

o Abscheiden auf Glas oder anderen Substrat-materialien (1 µm Dicke, menschliches Haar 50-100 µm)

o Dünne, nichtkristalline (amorphe) Si- Schichto Einfache Herstellung (Aufdampfen)o Sehr preiswerto Geringe Effizienz (6 - 10%)o Dafür schon bei geringer Beleuchtung Leistung

Amorphe Solarzellen

Amorphe Solarzellen

Anwendungen:

Aussichten für die Zukunft

Tandem ZellenKombination von polykristallinen und amorphen ZellenAusnutzung der „Schwachlichteigenschaften“ der amorphen ZelleWirkungsgrad zwischen beiden Reinformen

Mikrokristalline Zelleneffizienter als amorphe Systemeweniger Materialaufwand da dünner

Aussichten für die Zukunft

Andere MaterialienAluminium/Gallium/Indium + Phosphor oder ArsenChalkopyride

Konkurrenz

Konkurrenz

Konkurrenz

Organische Solarzellen„Biosprit“ ist ethisch bedenklich und kann nicht genug Energie erzeugenWindkraft ist sehr Flächenintensiv und nicht überall effizient einsetzbarWasserkraft bietet alternative, wo sie vorhanden istBiomasse ist nicht genügend vorhanden

Quellenhttp://www.iwr.de/solar/technik/typen.htmlhttp://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/running_term/articles_seminar/solar/bulk_si/raeuber_kristalline_silicium-solar.pdfhttp://de.wikipedia.org/wiki/Solarzellehttp://www.user.fh-stralsund.de/~emasch/1024x768/Dokumentenframe/Kompendium/Solarzelle/Geschichte.htmhttp://www.solarserver.de/solarmagazin/images/solare_waserpumpe.jpghttp://www.solarcalc.de/abbildungen/solarcalc_parkschein.jpghttp://www.schulmodell.de/physik/2005/andlan7/ausweg_sonne.gifhttp://www.solarserver.de