Das Anwendungsgebiet der Photovoltaik ist bereits sehr breit. Es reicht von kleinen Leistungen in der Konsumgüterelektronik bis zu Photovoltaikkraftwerken im Megawatt - Bereich. Einziger Nachteil, der einer vollständigen Markteinführung im Wege steht, ist die relativ teure Herstellung der Solarzellen. Dies hat zur Folge, daß die Stromentstehungskosten hoch sind. Sie liegen um ein Vielfaches über den bei der konventionellen Energieerzeugung anfallenden Kosten. Dabei bleibt unberücksichtigt, was es kosten würde, die entstandenen Umweltschäden zu reparieren. Eine weitere Sensibilisierung der Bevölkerung für diese Thematik wäre wünschenswert.
Für spezielle Anwendungsfälle, insbesondere bei der Stromversorgung von Kleinstgeräten (Taschenrechner, Uhr) und von nicht an das Versorgungsnetz angeschlossenen Gebäuden, ist die Photovoltaik den herkömmlichen Energieversorgungssystemen wirtschaftlich ebenbürtig bzw. sogar überlegen.
Thema dieser Diplomarbeit sind nun aber keine ökonomischen oder umweltpolitischen Betrachtungen, sondern halbleitertechnische Probleme. Unter anderem soll hier die Wahl der Sperrschichtfolge für Solarzellen untersucht werden, d. h. warum eine n p + -Schichtfolge der p n + -Schichtfolge vorgezogen wird. Weiterhin sollen anhand einer Modellrechnung einige Halbleiterparameter der n p + -Solarzelle ermittelt werden. Eine gezielte Variation der Ausgangsgrößen soll die Einflüsse auf die errechneten Halbleiterparameter verdeutlichen. In Verbindung mit Messungen an ausgewählten Bauelementen (Solarzelle, Fotoelement) soll diese Modellrechnung zu einem funktionsfähigen SPICE - Modell einer Solarzelle führen, mit dem möglichst realistisch das Verhalten der Solarzelle für ausgewählte Anwendungsfälle am PC dargestellt werden kann. Weiterführend sollen die Ergebnisse der Modellrechnung als Grundlage zur Herstellung einer Solarzellenstruktur im „Business and Innovation Center“ in Stenn Verwendung finden. Inwiefern die technischen und finanziellen Möglichkeiten dafür geschaffen werden, konnte bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht endgültig geklärt werden. Am Schluß wird noch eine Aufgabenstellung für ein Praktikum im Fach Photovoltaik angegeben und ein aufgebauter Licht- Frequenz- Wandler beschrieben.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Aufgabenstellung
2. Grundlagen zur Solarzelle
2.1 Aufbau und Wirkungsweise von Solarzellen
2.2 Arten von Solarzellen
2.3 Begründung für eine n+p-Schichtfolge bei Solarzellen
3. Modellrechnung einer n+p-Silizium-Solarzelle
3.1 Nettostörstellenverteilung, Sperrschichtgrenzen und Spannungen
3.2 Berechnung der Dunkelkennlinie
3.3 Berechnung der Hellkennlinie
3.4 Berechnung der Sperrschicht- und Diffusionskapazität
3.5 Variation der vorgegebenen Parameter
4. Messungen an Bauelementen
4.1 Solarzelle
4.1.1 Messung der Dunkelkennlinie
4.1.2 Messung der Hellkennlinie
4.1.3 Dynamische Parameter
4.2 Fotoelement
4.2.1 Messung der Dunkelkennlinie
4.2.2 Messung der Hellkennlinie
4.2.3 Dynamische Parameter
5. SPICE-Modell der Solarzelle
5.1 Erstellen des SPICE-Modells aus den Ergebnissen der Modellrechnung
5.1.1 Simulation der Dunkelkennlinie
5.1.2 Simulation der Hellkennlinie
5.1.3 Simulation des Schaltverhaltens
5.2 Erstellen des SPICE-Modells aus den Meßergebnissen
5.2.1 Simulation der Dunkelkennlinie
5.2.2 Simulation der Hellkennlinie
5.2.3 Simulation des Schaltverhaltens
5.3 Vergleich der erhaltenen Modelle
6. Aufgaben und Anwendungen mit Solarzellen
6.1 Licht- Frequenz- Wandler
6.2 Aufgabenstellungen für einen Praktikum- Laborversuch
7. Zusammenfassung
Zielsetzung und Themen
Die Arbeit untersucht halbleitertechnische Zusammenhänge in n+p- und p+n-Silizium-Strukturen, um durch Modellrechnungen und Messungen ein realistisches SPICE-Modell für Solarzellen zu entwickeln. Das primäre Ziel ist es, durch Variation von Halbleiterparametern ein Verständnis für deren Einfluss auf die elektrische Leistungsfähigkeit zu erlangen und diese Erkenntnisse in die Praxis zu übertragen.
- Grundlagenaufbau und Wirkungsweise von Solarzellen
- Modellierung von Nettostörstellenverteilung und Sperrschichtverhalten
- Analyse und Simulation von Dunkel- und Hellkennlinien
- Charakterisierung des dynamischen Schaltverhaltens
- Praktische Implementierung eines Licht-Frequenz-Wandlers als Applikation
Auszug aus dem Buch
2.1 Aufbau und Wirkungsweise von Solarzellen
Die derzeit handelsüblichen Solarzellen bestehen im allgemeinen aus dem Grundmaterial Silizium. Dabei wird in mehren Arbeitsschritten eine pn-Struktur erzeugt, wie sie in ähnlicher Form bei Dioden oder Transistoren gebräuchlich ist. Im einfachsten Fall besteht eine Solarzelle aus p-leitenden Silizium auf das eine stark n-leitende Schicht, durch Eindiffusion eines Donators (P, As) bei höheren Temperaturen (ca. 850 °C), aufgebracht wird. Die ursprüngliche p-Dotierung des Basismaterials wurde an dieser Stelle überkompensiert und es ist ein sogenannter n+-Emitter entstanden.
Dieser Emitter bildet die vordere, lichtempfindliche Seite der Solarzelle. Auf ihm wird ein Kontakt (Minuspol) in Form einer sogenannten Kammstruktur aufgebracht. Die Basis, also die Rückseite der Solarzelle, wird ganzflächig mit einer leitenden Schicht versehen und ergibt den Pluspol.
Die Größe der auf der Vorderseite erzeugten Kontaktfinger stellt dabei eine sinnvollen Kompromiß zwischen Abschattung der lichtempfindlichen Fläche und dem Serienwiderstand der Solarzelle dar. Je mehr Kontaktfinger erzeugt werden, desto stärker wird die lichtempfindliche Fläche abgedunkelt, aber um so kleiner wird der Serienwiderstand und umgekehrt. Der Einfluß auf die I-U-Kennlinie ist in Abbildung 2-2 dargestellt.
Das auf eine Solarzelle auftreffende Licht kann reflektiert, transmittiert oder absorbiert werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung und Aufgabenstellung: Einführung in die Thematik der Photovoltaik und Definition der wissenschaftlichen Aufgabenstellung für die Diplomarbeit.
2. Grundlagen zur Solarzelle: Erläuterung der physikalischen Funktionsweise und Darstellung des grundlegenden Aufbaus von handelsüblichen Silizium-Solarzellen.
3. Modellrechnung einer n+p-Silizium-Solarzelle: Mathematische Herleitung und Ermittlung von Halbleiterparametern zur Beschreibung der Solarzelleneigenschaften.
4. Messungen an Bauelementen: Empirische Überprüfung der Modellrechnungen durch Strom-Spannungs-Messungen an realen Solarzellen und Fotoelementen.
5. SPICE-Modell der Solarzelle: Umsetzung der theoretischen Modelle und Messdaten in eine simulationsfähige Umgebung zur rechnergestützten Analyse.
6. Aufgaben und Anwendungen mit Solarzellen: Dokumentation der praktischen Realisierung eines Licht-Frequenz-Wandlers und Ableitung von Laboraufgaben.
7. Zusammenfassung: Abschlussbetrachtung der erzielten Ergebnisse und Bewertung der entwickelten Modelle.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Silizium-Solarzelle, Modellrechnung, SPICE-Modell, Dunkelkennlinie, Hellkennlinie, Sperrschichtkapazität, Diffusionskapazität, Wirkungsgrad, Halbleiterparameter, Licht-Frequenz-Wandler, Ladungsträgerbeweglichkeit, pn-Struktur, Serienwiderstand, Parallelwiderstand.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit im Kern?
Die Arbeit befasst sich mit der halbleitertechnischen Analyse und Modellierung von Silizium-Solarzellen, um deren elektrisches Verhalten präzise abzubilden.
Welche zentralen Themenfelder deckt das Dokument ab?
Die Arbeit deckt die physikalischen Grundlagen, die mathematische Modellierung von Kennlinien, experimentelle Messungen an Bauelementen sowie deren computergestützte Simulation ab.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, ein funktionsfähiges SPICE-Modell zu erstellen, das sowohl auf Modellrechnungen als auch auf realen Messwerten basiert, um Solarzellenverhalten am PC simulieren zu können.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewandt?
Es werden mathematische Modellrechnungen, experimentelle Labormessungen an Solarzellen und Fotoelementen sowie Schaltungssimulationen mit DesignLab (SPICE) verwendet.
Was ist Gegenstand des Hauptteils?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Berechnung der Kennlinien, die Analyse der Sperrschicht- und Diffusionskapazität sowie den Vergleich von theoretischen Modellen mit realen Messdaten.
Welche Schlüsselbegriffe sind für das Verständnis essenziell?
Wichtige Begriffe sind Photovoltaik, n+p-Struktur, Sättigungsstrom, Wirkungsgrad, Sperrschichtkapazität und der Geometriefaktor.
Warum wird die n+p-Schichtfolge der p+n-Struktur bevorzugt?
Die Bevorzugung basiert auf der höheren Ladungsträgerbeweglichkeit der Elektronen gegenüber Löchern und dem daraus resultierenden geringeren Halbleiterwiderstand.
Welche Rolle spielt der Geometriefaktor in der Modellrechnung?
Der Geometriefaktor beschreibt den Einfluss der endlichen Bauelementegeometrie auf den Sättigungsstrom und ist entscheidend für eine genaue Modellierung.
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- Dipl.-Ing. (FH) Holger Singer (Author), 1998, Messung und Berechnung von Silizium-Solarzellen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/4586
