Solarzellentypen. Umsetzung der Photovoltaik

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung

Abstract

1 Entstehung der Photovoltaik

2 Technische Realisierung
2.1 Prinzip
2.2 Umwandlung
2.3 Aufbau und Funktion einer Solarzelle

3 Solarzellentypen
3.1 Monokristalline Solarzellen
3.1.1 Herstellungsprozess von monokristallinen Solarzellen
3.1.2 Anwendungsgebiete von monokristallinen Solarzellen
3.2 Polykristalline Solarzellen
3.2.1 Herstellung von polykristallinen Solarzellen
3.2.2 Anwendungen von polykristallinen Solarzellen
3.3 Dünnschicht Solarzellen aus amorphem Silizium
3.3.1 Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen
3.3.2 Anwendungen für Dünnschicht-Solarzellen

4 Nanotechnologien
4.1 Nanobeschichtungen
4.2 Nanozellen
4.3 Resümee

5 Literaturverzeichnis

Zusammenfassung

Diese Arbeit soll es dem Leser ermöglichen, die Herstellung und Anwendungen von monokristallinen-, polykristallinen- sowie Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium zu verstehen. Dabei werden die einzelnen Herstellungsverfahren zum Erzeugen des Grundmaterials sowie die einzelnen Produktionsschritte beschrieben. Durch die Darlegung der Einsatzgebiete der einzelnen Zellentypen werden objektiv die Vor- und Nachteile der einzelnen Solarzellentypen gezeigt.

Es wird noch zusätzlich die technische Realisierung von Photovoltaik und der Aufbau von Solarzellen anschaulich erklärt und dargestellt. Außerdem werden kurz die wichtigsten Meilensteine und Erfinder der Photovoltaik genannt.

Zum Schluss wird kurz auf die zukünftigen Technologien wie Nanobeschichtungen für Solarzellen bzw. Nanozellen eingegangen.

Abstract

The purpose of this research was, to explain how solar cells especially signal- crystal, polycrystalline and amorphous cells will produce and which applications are for them. In order to show how a solar cell works, this study will describe all necessary production steps and also illustrate the extraction of the required base materials. To understand the function of these cells, a technical explanation will provide the implementation of photovoltaic. A short historic overview about important milestones and inventors helps to understand the progress at the beginning of photovoltaic. At the end a short prospect will show further possibilities in the development with NANO-technology.

Abbildungsverzeichnis

Abb.1 Generationsprozess

Abb.2 Solarzellenaufbau

Abb.3 monokristalline Solarzellen

Abb.4 CZOCHRALSKI-Verfahren

Abb.5 Zonenziehen

Abb.6 Polykristalline-Solarzelle

Abb.7 Si-Gussblock

Abb.8 Gusstechnik für kolumnares Silizium

Abb.9 Siebdruckverfahren

Abb.10 Dünnschicht Solarzelle

Abb.11 Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen Schritt 1-2

Abb.12 Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen Schritt 3-4

Abb.13 Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen Schritt 5-6

Abb.14 Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen Schritt 7-8

Abb.15 Nanobeschichtung

Abb.16 Nanozellen

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Entstehung der Photovoltaik

Die Menschheit war schon immer fasziniert von den Himmelskörpern, die sich am Himmel auftaten. Sie nutzten schon sehr früh die Himmelskörper für verschiedene Aufgaben. Beispielweise richteten die Ägypter mit Hilfe der Sonne Ihre Pyramiden genau nach den Himmelsrichtungen Nord-Süd sowie Ost-West aus. Ebenso nutzte die Schiffart die Himmelskörper als Orientierung mit Hilfe eines sogenannten Sextanten, um die eigene Position festzustellen. Erst Jahrhunderte später wurden Satteliten ins Weltall geschossen, um sich mit deren Hilfe durch das heute viel eingesetzte GPS (Global Positioning System) zu positionieren.

Die ersten wissenschaftlichen Untersuchungen der Beeinflussbarkeit von Materie und Licht verdanken wir heute Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) Paris.^[1] Er untersuchte Metallsalze und Metallelektroden im Elektrolyt und fand durch seine Experimente heraus, dass unter Einwirkung von Licht, Selen, nicht aber Kupfer seine Leitfähigkeit durch Lichteinstrahlung verändert.^[2]

Die eigentliche Nutzung von Solarzellen wurde aber erst nach der Erfindung der Diode von Ferdinand Braun 1874 ermöglicht.^[3]

1945 wurde die erste Silizium-Solarzelle von den amerikanischen Forschern Chapin, Fuller und Person entwickelt.^[4]

Die Energiekrise in den siebziger Jahren führte dazu, dass die ersten terrestrischen Solarzellen von Spear und Lecomber entwickelt wurden.^[5]

2 Technische Realisierung

2.1 Prinzip

Bevor in diese Thematik eingestiegen wird, muss im Vorhinein noch geklärt werden, was Photovoltaik ist und wann man überhaupt von Photovoltaik spricht.

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie.

Wie wird nun aus Sonnenlicht Strom erzeugt? Zunächst muss man genau Kenntnis darüber haben, wo und wie effizient man das Strahlungsangebot der Sonne nützen kann. Außerdem ist es von großer Bedeutung, wie das Sonnenlicht auf die Solarzelle auftrifft.

2.2 Umwandlung

Fällt Sonnenlicht auf einen Halbleiter, in der Regel Silizium, werden in diesem Halbleiter Valenz- bzw. Bindungselektronen freigesetzt. Dadurch kommt es zur Bildung von positiven und negativen Ladungen. Dies wird auch als „Innerer Photoeffekt“ bezeichnet. Unter dem inneren Photoeffekt versteht man das Generieren von zusätzlichen Ladungsträgern durch Photonen.^[6]

Trifft nun ein Photon auf ein Elektron, wird unmittelbar nach dem Generationsprozess (siehe Abb.1) Wärme an das Kristallgitter abgeben, dass zur Folge hat, dass sich das Elektron an der Leitungsbandunterkante und das Loch an der Valenzbandoberkante befindet.^[7] Somit entstehen Bereiche mit Elektronenüberschuss bzw. Elektronenmangel. „Beim Generationsprozess werden durch Ionisation ein Elektron und ein Loch erzeugt. Die Ionisationsenergie wird dabei von einem Photon aufgebracht.“^[8]

Durch diesen Generationsprozess erreicht man eine Umwandlung von Strahlungsenergie (Photon) in elektrische Energie.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1 Generationsprozess^[9]

2.3 Aufbau und Funktion einer Solarzelle

Solarzellen bestehen aus einem pn-Übergang, wo sich die Elektronen befinden, aus einer n-leitenden Schicht sowie einer p-leitenden Schicht und den metallischen Kontakten (siehe Abb. 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2 Solarzellenaufbau^[10]

Trifft nun wie unter 2.2 beschreiben, ein Photon auf ein Elektron, entsteht im inneren elektrischen Feld ein Bereich mit Elektronenüberschuss (negative Ladungen), andererseits ein Bereich mit Elektronenmangel (positive Ladungen).

Durch die p-leitende Schicht, die ein Loch aufweist, wird mit Hilfe eines positiv geladenen Valenzbandelektrons dieses Loch besetzt, wohingegen in der n- leitenden Schicht ein Elektron zu viel ist. Dieses zusätzliche Elektron wird durch den vorherrschenden Elektronenüberschuss herausgelöst, das zur Folge hat, dass ein elektrischer Strom fließen kann.^[11]

3 Solarzellentypen

3.1 Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen weisen eine schön gleichmäßig strukturierte Oberfläche auf. In der Regel haben diese Zellen eine quadratische Form (siehe Abb. 3) mit einer Fläche von max. 15cm x 15cm, wobei aber die Entwicklung auf größere Zellen hinausläuft.^[12] Derzeit ist die Herstellung größerer Zellen aus wirtschaftlichen Gründen noch nicht sinnvoll.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3 monokristalline Solarzellen^[13]

Bei dieser Solarzellentype wird Silizium als Halbleiterwerkstoff verwendet, da dieser in großen Mengen vorkommt und für den Menschen ungiftig ist. Zurzeit werden ca. 30% aller Solaranlagen mit diesen Zellentyp ausgestattet.^[14] Aufgrund des geringen Absorptionskoeffizienten von kristallinem Silizium müssen diese Solarzellen eine Schichtstärke von 100-200 µm^[15] aufweisen.

Der Wirkungsgrad solcher Solarzellen, damit wird gemeint, das Ausmaß der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie, kann sich heutzutage je nach Herstellungsverfahren auf bis zu 30%^[16] belaufen. Der Rest geht in Wärme über. Somit ist dieser Zelltyp der zurzeit Wirkungsvollste aller Solarzellentypen.

3.1.1 Herstellungsprozess von monokristallinen Solarzellen

Bevor auf die einzelnen Prozessschritte für die Herstellung von monokristallinen Solarzellen näher eingegangen werden kann, muss auch die Herstellung des Ausgangsmaterials betrachtet werden. Um eine solche Zelle herstellen zu können, benötigt man sogenannte CZ-Silizium- Scheiben^[17] oder FZ-Silizium-Scheiben. CZ- Silizium-Scheiben werden aus tiegelgezogenen Einkristallen nach dem CZOCHRALSKI-Verfahren (siehe Abb. 4) hergestellt.^[18]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.4 CZOCHRALSKI-Verfahren^[19]

Das Silizium wird erhitzt und durch das Herausziehen des Impfkristalls aus der Si- Schmelze entsteht ein Einkristall. Dabei spielt der gelöste Sauerstoff im Quarztiegel eine wichtige Rolle für die Eigenschaften des CZ-Siliziums.^[20]

FZ-Silizium-Scheiben (Floating Zone) stammen hingegen von polykristallinen Reinst-Silizium-Stäben. Die Herstellung erfolgt, indem man diese polykristallinen Stäbe durch induktives Aufschmelzen einer schmalen Zone, in einer Schutzgasatmosphäre mithilfe eines Impfkristalls herauszieht (siehe Abb. 5).^[21]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.5 Zonenziehen^[22]

In der Praxis wird CZ-Silizium für terrestrische Anwendungen verwendet wohingegen das teure FZ-Silizium in Hochleistungs-Solarzellen Platz findet.^[23]

Das Ausgangsmateriel für die Herstellung monokristalliner Solarzellen ist ein CZ- Einkristall bzw. FZ-Einkristall, der einen Durchmesser von 6-8 Zoll aufweist und 2m lang ist. Dieser Zylinder wird im ersten Bearbeitungsprozess mittels Innenloch- Sägen in Scheiben von 200 bis 400 µm Stärke geteilt.

[...]

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^[1] Vgl.: Wagemann Hans-Günther und Eschrich Heinz (2007): Photovoltaik. Solarstrahlung und Halbleitereigenschaften Solarzellenkonzepte und Aufgaben. Bd. 1. Wiesbaden: B.G Teubuner Verlag GWV Fachverlage GmBH. S. 3.

^[2] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 3.

^[3] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 3.

^[4] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 4.

^[5] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 4.

^[6] Dr.-Ing. J.Blumenberg und Dr.-Ing. M. Spinner: Solarthermie & Photovoltaik. 3 Photovoltaik. http://www.td.mw.tum.de/tum-td/en/studium/lehre/solar_photovolt/download/folien/SolPV_3-1 [Stand 02.04.2009]

^[7] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. Solarstrahlung. S. 20.

^[8] Vgl.: Schulter, W. (1966): Advances in Solid State Physics. Rekombinations- und Generationsprozesse in Halbleitern. 5. Berlin/Heidelberg: Springer. S. 1 f.

^[9] Verändert übernommen aus: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 20.

^[10] Verändert übernommen aus: Brunnmeier, Martin: Photovoltaik. Zellaufbau http://www.brunnmeier.de/Photovoltaik/VergleichDaten/Zellaufbau.JPG [Stand 20.02.2009]

^[11] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. Solarstrahlung. S. 20 f.

^[12] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 79.

^[13] Bildungsserver: Physik www.bildungsserver.at/faecher/physik/Die%20Solarzelle [Stand 07.01.2009]

^[14] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 63.

^[15] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 64.

^[16] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 77.

^[17] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 78.

^[18]. Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 78 f.

^[19] Verändert übernommen aus: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 79.

^[20] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 78.

^[21] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 78 f.

^[22] Verändert übernommen aus: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 79.

^[23] Vgl.: Wagemann und Eschrich (2007): Photovoltaik. S. 79.