Die Grätzel Zelle - Die photochemische Solarenergiewandlung im Vergleich zur Photovoltaik auf Siliziumbasis

Inhaltsverzeichnis

1  Einführung  3

2  Motivation  3

3  Physikalische Grundlagen  4

4  Licht als elektromagnetische Welle 3  1

6  Der Photoelektrische Eekt 3  2

7  Die photovoltaische Energiewandlung mit Siliziumsolarzellen 3  3

3.3.1  Aufbau und Herstellung  7

3.3.2  Funktionsprinzip  8

10  Die photochemische Energiewandlung 3  4

3.4.1  Aufbau der Grätzel Zelle  10

3.4.2  Funktionsprinzip  11

4  Entwicklungen und Potentiale der Photovoltaik  13

13  Ersatzschaltbild und Wirkungsgrad 4  1

15  Untersuchung des Wirkungsgrades der Grätzel Zelle 4  2

4.3  Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von amorphem und mikro  

18  kristallinem Silizium  

19  Die Grätzel Zelle 4  4

5  Zusammenfassung  22

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Abbildungsverzeichnis

4  Licht als transversale Welle 18  1

5  Überblick Sonnenspektrum  2

7  Schematischer Aufbau einer Solarzelle 19  3

4  Bändermodell eines dotierten Halbleiters 3  9

11  Schematischer Aufbau der Grätzel Zelle 21  5

12  Vereinfachtes Jablonski-Diagramm eines Farbstos 2  6

14  Vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Solarzelle 22  7

15  Strom-Spannungskennlinie einer Diode 23  8

15  Strom-Spannungskennlinie einer Solarzelle 24  9

17  Abhängigkeit der solaren Energieausbeute von der Bandlücke 4  10

  Überblick Kinetik des Elektronentransfers Grätzel Zelle 15 11  20

1 Einführung

Das ist der Slogan einer Firma

Energieversorgung beschäftigt. Er prophezeit die zukünftigen Entwicklungen des Energiemarktes kurz und treend. Die derzeitigen Bewegungen auf den internationalen Finanzmärkten zeigen, wie sehr die westliche Zivilisation und mit ihr die globale Wirtschaftssituation am Tropf der Öl-exportierenden Nationen hängen.Es ist eine Tatsache, dass die fossilen Brennstoe in nicht allzu ferner Zukunft erschöpft sein werden. Doch bereits bevor Sie aufgebraucht sein werden, wird deren Verknappung zu einer deutlichen Verteuerung dieses Rohstos führen. Die Suche nach Alternativen Energiequellen muss ein Imperativ sein, da zum einen Teile des Rohöls als Ausgangssto in der Chemischen Industrie eine nicht unbedeutende Rolle spielen und zum anderen die vermehrte Verbrennung der fossilen Rohstoe unvorhersagbare Klimawandlungen zur Folge haben kann.

2 Motivation

Im Rahmen dieser Hausarbeit möchte ich die technischen Entwicklungen als auch die Potentiale der photovoltaischen Sonnenenergienutzung ausarbeiten. Hierbei gehe ich auf die Entwicklungen im Bereich der Solarzellen auf Siliziumbasis im besonderen der Dünnschichttechnik, sowie auf die Entwicklung einer photochemischen Solarzelle nach Grätzel ein. Nach einer Einführung in die physikalischen Grundlagen werde ich aktuelle Entwicklungen dieser Technologien diskutieren.

1 Vgl. [25]

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3 Physikalische Grundlagen

3.1 Licht als elektromagnetische Welle

Das sichtbare Licht ist der Teil der elektromagnetischen Strahlung, der vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Dies entspricht dem Bereich der elektromagnetischen Wellen zwischen 380-780 nm Wellenlänge. Dieses sichtbare Spektrum ist nur ein kleiner Teil des Spektrums der Solarstrahlung. Elektromagnetische Wellen sind gekennzeichnet durch ihre:

• Ausbreitungsgeschindigkeit c in m/s

• Wellenlänge λ in m

• Frequenz ν in 1/s

Im Allgemeinen schwingen der elektrische und der magnetische Feldvektor jeweils senkrecht zueinander als auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Polarisiertes Licht bedeutet, daÿ die Feldvektoren jeweils nur in einer Schwingungsebene im Lichtstrahl vorkommen. Bei unpolarisiertem Licht überlagern sich alle Schwingungsebenen. Im Vakuum ist die Ausbreitungsgeschwindigeit eine Konstante c 0 = 299792458 m/s und unabhängig von der Frequenz der Welle. Trit die Strahlung jedoch auf Materie, d.h. auf ein Medium mit bestimmten Materialeigenschaften, wie der Permittivität und der Permeabilität, so verringert sich die Geschwindigkeit je nach Material und wird frequenzabhängig. Hierbei bestimmt die Permittivität ε die Durchlässigkeit eines Mediums für elektrische Felder und die Permeabilitätµ für magnetische Felder. Es besteht folgender physikalischer Zusammenhang:

c(ε, µ, ν) = ν · λ

Elektromagnetische Wellen sind im Spektrum nach der Wellenlänge sortiert. Insbesondere bei den kurzwelligen Erscheinungsformen der elektromagnetischen

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Wellen, wie beispielsweise der UVStrahlung, eignet sich das oben beschriebene Wellenmodell nicht, um alle beobachtbaren Phänomene zu beschreiben. Vielmehr treten die Teilcheneigenschaften einzelner Photonen, der Quanten der Elektromagnetischen Welle, in den Vordergrund und bestimmen die beobachteten Vorgänge. Im Rahmen dieser Teilchenvorstellung des Lichtes wird jedem einzelnen Photon bestimmter Frequenz eine Energie zugeordnet.

E = h · ν

Die Proportionalitätskonstante h = 6, 6260755 · 10 −35 Js wird als PLANK`sches Wirkungsquantum bezeichnet. Die Korpuskel- bzw. Teilchentheorie des Lichtes wurde auch schon von Isaac NEWTON vertreten, notwendig aber erst als 1887 Heinrich HERTZ und Wilhelm HALLWACHS erstmals den Photoelektrischen Effekt des Lichtes beobachteten und mit der klassischen Wellentheorie nicht erklären konnten. Max PLANCK führte 1900 Versuche zur Untersuchung des Strahlungsverhaltens 'Schwarzer Körper' durch und führte dabei die Hilfsgröÿe h ein, da er davon ausging, daÿ Strahlung bestimmter Frequenz nur in bestimmten Energiepaketen (2) emittiert bzw. absorbiert werden kann. PLANCK hielt den nichtkontinuierlichen Charakter der Energie zunächst für eine Folge der Eigenschaft der Strahlungsquelle. Erst Albert EINSTEIN postulierte 1905 die Lichtquantenhypothese, die besagt, dass die Quantisierung unabhängig von der Strahlungsquelle eine Eigenschaft des Strahlungsfeldes ist. Anlass dazu waren die experimentellen Ergebnisse zum photoelektrischen Eekt.

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3.2 Der Photoelektrische Eekt

Das Phänomen des Photoelektrischen Eektes umfaÿt das Freisetzen elektrisch geladener Teilchen aus einem Material, wenn dieses von elektromagnetischer Strahlung, wie z.B. Licht oder Ultraviolettstrahlung, getroen wird. Die von den Elektronen aufgenommene kinetische Energie ist dabei nicht abhängig von der Intensität des auftreenden Lichtes sondern ausschlieÿlich von der Frequenz, d.h. von der Art der elektromagnetischen Strahlung. Diese Erkenntnis widersprach den damaligen Auassungen der klassischen Physik, wonach die Energie einer Welle von deren Amplitude nicht aber von deren Frequenz abhängt. Erst mit Einsteins Lichtquantenhypothese wurde das Phänomen beschreibbar. Heute fasst man vier nahe verwandte, durch Strahlung hervorgerufene Eekte unter dem Begri des Photoelektrischen Eektes zusammen.

1. Äuÿerer Photoeekt

2. Innerer Photoeekt

3. Photoionisation

4. Photovoltaischer Eekt In allen Fällen wird von einem Photon Energie an ein Elektron übertragen. Dieses angeregte Elektron kann unterschiedliche Phänomene bewirken. Beim äuÿeren Photoeekt wird wie beschrieben durch die Energie des Photons ein Elektron freigesetzt. Dazu muÿ jedoch eine Mindestenergie , die sogenannte 'Austrittsarbeit', aufgebracht werden. Die so herausgeschlagenen Elektronen verlassen das Material mit kinetischer Energie. Die dadurch erzeugte Ladungstrennung hängt von der Lichtwellenlänge bzw. der Frequenz ab. Der innere Photoeekt wird in Festkörpern beobachtet, bei denen die Elektronen im nichtleitenden Valenzband sind und nur eine schwache elektrische Leitung möglich ist. Durch Photonen werden Elektronen in ein energetisch höhergelegenes Leitungsband gehoben, so dass das Material unter Beleuchtung besser leitet. Unter Photoionisation versteht man den lichtelektrischen Eekt in Gasphasen.

Der photovoltaische Eekt basiert auf dem inneren photoelektrischen Eekt. Zusätzlich wird ein p-n-Übergang benötigt. An dem Übergang ndet eine Ladungstrennung statt. Das entstehende elektrische Spannungsgefälle kann für die Wandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie genutzt werden. Der Photovoltaische Eekt ist Grundlage von Solarzellen z.B. auf Siliziumbasis.

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