Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Grundlagen der solaren Energiegewinnung, sowie die verschiedenen am Markt erhältlichen Zelltechnologien und Halbleitermaterialien. Ziel der Arbeit ist es durch Vergleiche und Analysen, Vor- und Nachteile der beschriebenen Solarzellentypen aufzuzeigen. Darüber hinaus wird für ein gewähltes reales Beispiel eine objektive Bewertung durchgeführt und eine Variante priorisiert.
Im ersten Teil werden Verbreitung, Funktionsprinzipien und Herstellungsprozesse von Solarzellen repräsentiert, um ein Grundverständnis zu schaffen. Im zweiten Teil werden durch gezielte Berechnungen realitätsnahe Kennwerte ermittelt, die im Analyseprozess abgearbeitet werden. Das Ergebnis der Nutzwertanalyse zeigt, dass sich Dünnschicht Paneele knapp durchsetzen konnten, jedoch kann kein Solarzellentyp pauschal als der beste betrachtet werden. Vielmehr ist es entscheidend auf welche Eigenschaft der Solarzelle das Hauptaugenmerk gelegt wird.
Photovoltaik spielt in unserer umweltbewussten Gesellschaft eine immer größer werdende Rolle. In den letzten Jahrzehnten gab es durch neue innovative Entwicklungen zur Steigerung des Wirkungsgrades und staatliche Förderprogramme einen enormen Aufschwung von privaten Photovoltaikanlagen.Heutzutage wird an Speichersystemen für Solarenergie gearbeitet. Auch an Designkonzepten für gebäudeintegrierte Photovoltaik wird geforscht. Die Möglichkeit organische Stoffe zur Energieerzeugung zu verwenden wird immer realistischer. Zukünftig wird die Solartechnik am Energiemarkt von entscheidender Bedeutung sein.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Ziele, Nichtziele, Zielgruppe
1.2.1 Ziele
1.2.2 Nichtziele
1.2.3 Zielgruppe
1.3 Bezugsrahmen
2 Grundlagen
2.1 Die Sonne als Energiequelle
2.1.1 Die Sonne als Fusionsreaktor
2.1.2 Verbreitung der Solarenergie
2.2 Funktionsweise einer Solarzelle
2.2.1 Halbleiter Grundlagen
2.2.2 Aufbau der Solarzellen
2.2.2.1 Dotierung und p/n -Übergang
2.2.3 Eigenschaften einer Solarzelle
2.2.3.1 Lichtspektrum
2.2.3.2 Wirkungsgradvergleich
2.2.3.3 Air-Mass-Zahl (AMZ)
2.2.3.4 Maximum-Power-Point (MPP)
2.2.3.5 Formeln
2.3 Die Photovoltaikanlage
2.3.1 Arten von PV-Anlagen
2.3.2 Systemkomponenten
2.3.3 Das Photovoltaikmodul
2.3.3.1 Verkapselung
2.3.4 Alternativen zur besseren Energieausbeute
2.3.4.1 Aufständerung
2.3.4.2 Verschattung
2.3.4.3 Anschlusskonzepte
2.4 Zelltechnologie
2.4.1 Dünnschicht Technologie
2.4.1.1 PVD (physical vapor deposition) Verfahren
2.4.1.2 Sputterdeposition
2.4.1.3 Prozessschritte bei Dünnschichtverfahren am Beispiel von CIS Zellen
2.4.2 Dickschicht Technologie
3 PV Materialien
3.1 Silizium
3.1.1 Herstellung
3.1.1.1 Chemische Reinigung
3.1.1.2 Zonenreinigung
3.1.2 Monokristallines Silizium
3.1.2.1 Das Czochralski-Verfahren
3.1.2.2 Tiegelfreies Zonenziehen
3.1.2.3 Bearbeitung
3.1.3 Mono- und polykristallines Silizium
3.1.4 Amorphes Silizium
3.1.5 Kupfer, Indium, Selenid
3.1.5.1 Indium
3.1.5.2 Gallium
3.1.5.3 Kupfer
3.1.5.4 Selen (Selenid)
4 Vergleich der Materialien
4.1 Eigenschaften von Solarzellen
4.2 Wirkungsgrade
4.2.1 Standardtestbedingungen (STTB)
4.2.1.1 Monokristallines Silizium PV-Panel
4.2.1.2 Polykristallines Silizium PV-Panel
4.2.1.3 Amorphes Silizium PV-Panel
4.2.1.4 CIGS PV-Panel
4.2.2 Alternativbedingungen (NOCT)
4.2.2.1 Monokristallines PV-Panel real
4.2.2.2 Polykristallines Silizium PV-Panel
4.2.2.3 amorphes Silizium PV-Panel
4.2.2.4 CIGS PV-Panel
4.2.3 Fazit
4.3 Temperaturverhalten
4.4 Lichtverhalten
4.5 Anfälligkeit
4.6 Energetische Amortisation
4.6.1 Primärenergieaufwand
4.6.2 Energierücklaufzeit
5 Warum welches Material
5.1 Paarweiser Vergleich
5.2 Nutzwertanalyse (NWA)
6 Resümee
7 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, einen umfassenden Vergleich gängiger Solarzellentypen und ihrer Halbleitermaterialien durchzuführen, um potenziellen Käufern von privaten Photovoltaikanlagen eine objektive Entscheidungsgrundlage zu bieten, wobei die zentrale Forschungsfrage lautet, welche spezifischen Charakteristiken diese am Markt erhältlichen Zelltechnologien aufweisen.
- Analyse und Vergleich der gängigsten PV-Zelltechnologien (monokristallin, polykristallin, amorph, CIGS).
- Untersuchung der technischen Grundlagen, Herstellungsprozesse und physikalischen Eigenschaften.
- Berechnung von Modulwirkungsgraden unter Standardtestbedingungen (STTB) und realen Betriebsbedingungen (NOCT).
- Bewertung der energetischen Amortisation und des Primärenergieaufwands.
- Durchführung einer Nutzwertanalyse zur Priorisierung der Technologien für den privaten Hausbau.
Auszug aus dem Buch
2.2.2.1 Dotierung und p/n -Übergang
Der Kern der Solarzelle besteht aus einer p- und n-dotierten Siliziumschicht. Die n-dotierte Schicht ist 1μm dick, die p-dotierte Schicht ca. 200μm. Ein Siliziumatom hat 4 Außenelektronen im Valenzband die zum Ladungstransport verwendet werden können. Phosphor wird in der n-dotierten Schicht beigemischt um eine gezielte Verunreinigung zu erzeugen. Da Phosphor 5 Außenelektronen besitzt ist bei einer Mischung mit Silizium ein Elektron zu viel. Durch diesen Vorgang werden freie Elektronen erzeugt, weshalb es auch n-dotierte Schicht genannt wird. In der p-dotierten Schicht ist das genau konträr. Hier werden Bor Atome zur Siliziumschicht beigemischt. Das Bor Atom hat nur 3 Elektronen, daher fehlt ein Außenelektron für die vierte Atombindung an Silizium. Hier entstehen folglich freibewegliche, positive Lücken. Durch die unterschiedliche Ladung der einzelnen Schichten ziehen sie sich nun gegenseitig an, was zu Diffusionsströmen führt. Diesen Strömen wirken die in den beiden Schichten festsitzenden ionisierten Atome entgegen und bilden eine Raumladungszone. Im unbeleuchteten Zustand gleichen sich die Feld- und Diffusionsströme nahezu aus, was zu einer Armut an freien Ladungsträgern führt.
Trifft nun Licht an die Grenzschicht bzw. Raumladungszone werden Elektronen-Loch-Paare vom Bor Atom wieder getrennt. Die Elektronen wandern Richtung äußerste Schicht der n-dotierten Zone. Damit man mit diesem Effekt schließlich Strom aus der Zelle generieren kann, benötigt man Metallkontakte die später mittels Kabel an einem Verbraucher oder Wechselrichter angeschlossen werden können. Um eine größtmögliche Absorption des Sonnenlichtes zu gewährleisten, wird an der Oberseite oder p-dotierten Schicht eine Titanoxidfolie gepresst. Es werden aber auch Antireflexschichten aus Siliziumnitrit angebracht. Darüber kommt der zweite Metallkontakt, der aber lediglich aus dünnen Streifen besteht. Die freigewordenen Elektronen fließen nun über die n-Schicht zum Verbraucher und werden anschließend wieder in die p-Schicht eingeschleust und rekombinieren wiederum mit den freien Löchern.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beschreibt die Ausgangssituation des Photovoltaikmarktes, definiert die Ziele sowie die Zielgruppe der Arbeit und stellt die Forschungsfrage bezüglich der Charakteristiken von PV-Zellen vor.
2 Grundlagen: Das Kapitel vermittelt essenzielles Wissen über die Sonne als Energiequelle, die physikalische Funktionsweise von Solarzellen, den Aufbau von PV-Anlagen und verschiedene Zelltechnologien.
3 PV Materialien: Hier werden die verwendeten Halbleitermaterialien wie Silizium sowie Kupfer, Indium und Selenid detailliert hinsichtlich ihrer Gewinnung und Eigenschaften betrachtet.
4 Vergleich der Materialien: Dieses Kapitel vergleicht die Solarzellentypen anhand ihrer Wirkungsgrade, ihres Temperaturverhaltens und ihres Energieaufwands durch Berechnungen und tabellarische Darstellungen.
5 Warum welches Material: In diesem Teil wird durch einen paarweisen Vergleich und eine Nutzwertanalyse ermittelt, welcher Zelltyp unter Berücksichtigung verschiedener Parameter den höchsten Nutzen für den Endanwender bietet.
6 Resümee: Die Arbeit fasst die Ergebnisse zusammen, diskutiert die gewonnenen Erkenntnisse zur Effizienz der unterschiedlichen Technologien und stellt fest, dass sich die CIGS-Technologie in der Nutzwertanalyse durchsetzen konnte.
7 Ausblick: Der Ausblick thematisiert das zukünftige Potenzial der Photovoltaik im Kontext globaler Energiesysteme und unterstreicht die Notwendigkeit, erneuerbare Energien als Hauptbestandteil der Energieversorgung zu etablieren.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Solarzellen, Silizium, Wirkungsgrad, Halbleiter, CIGS, Dünnschichttechnologie, Nutzwertanalyse, Energieausbeute, Erneuerbare Energien, Primärenergieaufwand, Standardtestbedingungen, Strahlungsenergie, Energierücklaufzeit, Modultechnologie.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die Grundlagen und Technologien von Solarzellen und Photovoltaikanlagen mit dem Ziel, einen objektiven Vergleich für den privaten Hausbau anzustellen.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Arbeit konzentriert sich auf die physikalischen Grundlagen der Solarenergie, die Herstellungsverfahren von Halbleitermaterialien wie Silizium sowie den Vergleich von Dünnschicht- und Dickschichttechnologien.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, die Vor- und Nachteile von vier marktgängigen Solarzellentypen zu analysieren, um durch eine Nutzwertanalyse eine Empfehlung für private Anwender auszusprechen.
Welche wissenschaftliche Methode verwendet der Autor?
Neben einer Literaturanalyse zur Theorie führt der Autor Berechnungen auf Basis von Datenblättern durch und wendet die Methode des paarweisen Vergleichs sowie eine Nutzwertanalyse an.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden der Aufbau und die Funktionsweise von Solarzellen, die Charakteristika verschiedener Halbleitermaterialien sowie die spezifischen Wirkungsgrade unter verschiedenen Testbedingungen (STTB und NOCT) untersucht.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren diese Arbeit?
Die Arbeit lässt sich maßgeblich durch die Begriffe Photovoltaik, Wirkungsgrad, Solarzellentechnologien, Silizium, Halbleiter und Nutzwertanalyse charakterisieren.
Warum spielt die Unterscheidung zwischen STTB und NOCT eine so wichtige Rolle?
Diese Unterscheidung ist entscheidend, da sie aufzeigt, dass der Wirkungsgrad in der Realität aufgrund von Temperatur und Lichtintensität signifikant von den optimistischen Standardtestwerten abweicht.
Welche Schlussfolgerung zieht der Autor bezüglich des besten Solarzellentyps?
Die Nutzwertanalyse des Autors kommt zu dem Ergebnis, dass sich die CIGS-Dünnschichttechnologie unter den bewerteten Parametern als die vorteilhafteste Option durchgesetzt hat.
- Arbeit zitieren
- Matthias Strobl (Autor:in), 2015, Solarzellen und Photovoltaikanlagen. Grundlagen, Technologien und Materialien, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/371824
