In dieser Arbeit werden die allgemeinen physikalischen Grundlagen, der Aufbau und die Funktionsweise von Solarzellen erläutert. Anschließend werden die wichtigsten Parameter wie die Leerlaufspannung (VOC), Kurzschlussphotostrom (ISC), Kurzschlussstromdichte (JSC) der Füllfaktor (FF), die Quantenausbeute (QE) und Energieumwandlungseffizienz (η) erklärt, die die Qualität von Photovoltaik-Anlagen maßgeblich bestimmen.
Der Hauptteil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit einer vergleichenden Betrachtung der bisher wichtigsten anorganischen-, organischen- und Hybridsolarzelltypen. Dabei wird ihr bisher maximal erreichter Wirkungsgrad, der Handelsstand, der Aufbau, die Funktionsweise und Die Herstellungsmethoden dargestellt. Besonders detailliert wird auf die Hybrid-Perowskit-Solarzellen eingegangen, da diese wegen ihres Rekordwirkungsgrades von 22,1% und die relativ kostengünstige Herstellung unter den Dünnschicht-Solarzellen aktuell als ein Durchbruch in der Photovoltaik-Technologie angesehen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse aus dieser Arbeit werden unter Berücksichtigung der aus der Literatur bekannten Techniken und Morphologien dazu verwendet, neue Vorschläge und Lösungsansätze für die Optimierung der lichtaktiven Schicht von Solarzellen zu diskutieren.
Die Erde empfängt in 150 Millionen Kilometern Entfernung von der Sonne nur ein Milliardstel der Energie, die in Form von elektromagnetischer Strahlung in den Weltraum ausgestrahlt wird. Selbst dieser winzige Anteil, ungefähr 120.000 Trillionen W beliefert die Erde in einer Stunde mit mehr Energie, als die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht. Die Sonnenstrahlung als die ultimative und unbegrenzt zur Verfügung stehende Energiequelle hat seit Jahrzehnten die Wissenschaftler getrieben Photovoltaik-Anlagen zu entwickeln, die diese in elektrischen Strom umwandeln. Die hohe Umweltverschmutzung und ihre schweren Auswirkungen auf das menschliche Leben auf der Erde und die Tatsache, dass die fossilen Rohstoffe für die Erzeugung des Stroms uns nur noch für eine begrenzte, absehbare Zeit zur Verfügung stehen, stellt heute ein großes Problem dar.
Inhaltsverzeichnis
1. Kurzfassung
4. Einleitung
5. Die Parameter von Solarzellen
5.1 Die Leerlaufspannung (VOC)
5.2 Der Kurzschlusstrom (ISC)
5.3 Die Quantenausbeute (QE)
5.4 Der Füllfaktor (FF)
5.5 Einfluss der Temperatur
5.6 Shockley-Queisser-Grenze
6. Solarzellentypen
6.1 Anorganische Solarzellen
6.1.1 Silizium Solarzellen (monokristallin, polykristallin, amorph)
6.1.1.1 Aufbau und Funktionsweise
6.1.1.2 Das Banddiagramm
6.1.1.3 Herstellungsverfahren
6.1.1.4 Defekte im Siliziumkristall
6.1.1.5 Vor- und Nachteile
6.1.2 Heterosolarzelle aus kristallinen und amorphen Siliziumschichten
6.1.2.1 Funktionen der einzelnen Schichten
6.1.2.2 Die Banddiagramme
6.1.2.3 Herstellungsverfahren (a-Si)
6.1.2.4 Anwendungsbereiche
6.1.2.5 Vor- und Nachteile
6.2 Anorganische Dünnschicht-Solarzellen
6.2.1 CdTe-Solarzellen
6.2.1.1 Aufbau und Funktionsweise
6.2.1.2 Funktion der Schichten
6.2.1.3 Abscheideverfahren
6.2.1.4 Anwendungsbereiche
6.2.1.5 Vor- und Nachteile
6.2.2 GaAs-Solarzellen
6.2.2.1 Aufbau und Funktionsweise
6.2.2.2 Herstellungsverfahren
6.2.2.3 Leistung der GaAs-Zelle
6.2.2.4 Der Effekt der Wiederverwendung des Substrates auf die Parameter der GaAs-Zelle
6.2.2.5 Vor- und Nachteile
6.2.3 Multi-junction-Konzentrator Solarzellen
6.2.3.1 Aufbau und Funktionsweise
6.2.3.2 Zusammenfassung der I-V-Eigenschaften
6.2.3.3 Herstellung
6.2.3.4 Vor- und Nachteile
6.2.4 CIS (CIGS, CIGSe)
6.2.4.1 Aufbau und Funktionsweise
6.2.4.2 Das Band-Diagramm von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen
6.2.4.3 Herstellungsverfahren
6.2.4.3 Anwendungsbereiche
6.2.4.4 Vor- und Nachteile
6.2.5 CZTS(Se) (Cu2ZnSnS(Se)4)
6.2.5.1 Aufbau und Funktionsweise
6.2.5.2 Das Banddiagramm
6.2.5.3 Herstellungsverfahren
6.2.5.4 Vor- und Nachteile
6.3 Organische Solarzellen
6.3.1 Polymere Solarzellen (Lösungsprozessiert)
6.3.1.1 Aufbau und Funktionsweise
6.3.1.2 Das Banddiagramm
6.3.1.3 Herstellungsverfahren
6.3.1.4 Vor- und Nachteile
6.3.2 Organische Solarzellen basierend auf kleine Moleküle
6.3.2.1 Aufbau und Funktionsweise
6.3.2.2 Die Banddiagramme
6.3.2.3 Herstellung
6.3.2.4 Vor- und Nachteile
6.4 Hybrid Solarzellen
6.4.1 Farbstoffsensibilisierte Solarzelle (DSSC), Grätzelzelle
6.4.1.1 Aufbau und Funktionsweise
6.4.1.2 Herstellungsverfahren
6.4.1.3 Anwendungsbereiche
6.4.1.4 Vor- und Nachteile (142)
6.4.2 Quantum dot Solarzellen
6.4.2.1 Aufbau und Funktionsweise
6.4.2.2 Molekulare Bindung von CdSe-Nanokristallen mit mesoskopischen TiO2 Dünnschichten
6.4.2.3 CdSe-C60 Quantum dot Solarzellen
6.4.2.4 Kohlenstoff-“Nanotubes” in Photoelektrochemischen Solarzellen
6.4.2.5 Vor- und Nachteile
6.4.3 Perowskit-Solarzelle
6.4.3.1 Die Entwicklung von Perowskit-Solarzelle bis heute
6.4.3.2 Aufbau und Funktionsweise
6.4.3.3 Einstellung der Energieniveaus in organisch-anorganischen Perowskit Solarzellen
6.4.3.4 Konvetionelle n-i-p Strukturen
6.4.3.5 Invertierte p-i-n Struktur
6.4.3.6 Herstellungsverfahren
6.4.3.7 Optimierung der einzelnen Prozessschritte
6.4.3.8 Toxizität und Umweltverschmutzung
6.4.3.9 Vor- und Nachteile
7. Zusammenfassung und Ausblick
8. Proposal
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist eine fundierte vergleichende Analyse der wichtigsten derzeit verfügbaren anorganischen, organischen und hybriden Solarzelltechnologien, um aktuelle Herausforderungen in der Photovoltaik zu identifizieren und Lösungsansätze zur Optimierung lichtaktiver Schichten zu erörtern.
- Physikalische Grundlagen und Leistungsparameter von Solarzellen
- Vergleichende Analyse verschiedener anorganischer, organischer und hybrider Zelltypen
- Detaillierte Untersuchung von Perowskit-Solarzellen als aktuelle Technologietreiber
- Evaluierung von Herstellungsprozessen und Materialeigenschaften
- Diskussion von Optimierungspotenzialen für die lichtaktive Schicht
Auszug aus dem Buch
6.1.1.1 Aufbau und Funktionsweise
Industriel hergestelltes, hochreines monokristallines (PCE 21,0%), polykristallines (PCE 18,0%) oder amorphes Silizium (PCE ˂ 18,0%) mir einer Reinheit von ˃˃ 99,999999% ist derzeit immer noch das Material, aus dem die effektivsten Solarzellen hergestellt werden. Silizium (26%) ist nach dem Sauerstoff (46%) das zweit häufigste vorkommende Element in der Erdkruste. Ein beträchtlicher Teil des Quarzsandes besteht aus Silizium. Die hergestellten hoch reinen Siliziumwafer werden gezielt dotiert. Auf der einen Seite wird das Silizium mit z. B. Phosphor Atomen im Verhältnis (106 : 1) dotiert. Das fünfwertige Phosphoratom hat ein Elektron mehr als zum Einbau in den Kristall benötigt wird. Dieses Elektron ist frei und steht für den Transport von elektrischer Ladung im Kristall zur Verfügung. Da die Arsen dotierte Schicht einen Überschuss von Elektronen – also von negativen Ladungsträgern – aufweist, nennt man sie n-Schicht. Die andere Seite der Siliziumwafer wird z. B. mit dem dreiwertigen Element Bor dotiert. Bor hat ein Elektron weniger, als zum Einbau in den Kristall benötigt wird, es entstehen „Löcher“, die auch zum Transport der elektrischen Ladung beitragen: Ein Elektron kann in ein Loch springen und hinterlässt an seinem alten Platz ein neues Loch, das Loch „bewegt“ sich in entgegen gesetzter Richtung durch den Kristall und wird als positiver Ladungsträger bezeichnet – die mit Bor dotierte Schicht heißt deshalb p-Schicht.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Kurzfassung: Diese Arbeit erläutert physikalische Grundlagen, Leistungsparameter und einen detaillierten Vergleich von anorganischen, organischen und hybriden Solarzelltechnologien.
4. Einleitung: Die Einleitung beleuchtet die Notwendigkeit erneuerbarer Energien angesichts fossiler Ressourcenknappheit und Umweltbelastungen und stellt die Photovoltaik als zentrale Lösung dar.
5. Die Parameter von Solarzellen: Dieses Kapitel definiert und analysiert wesentliche Leistungsparameter wie Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom, Quantenausbeute und Wirkungsgrad sowie deren Temperaturabhängigkeit.
6. Solarzellentypen: Der Hauptteil umfasst die detaillierte vergleichende Untersuchung verschiedener Zelltypen, deren Aufbau, Bandstruktur, Herstellungsverfahren sowie jeweilige Vor- und Nachteile.
7. Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die technologischen Fortschritte und die Bedeutung der untersuchten Solarzelltypen für die Energiewende zusammen.
8. Proposal: Dieses Kapitel präsentiert strategische Ansätze zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades, darunter Lichtfallen, Tandemzellen und Optimierungsprozesse der Schichtbildung.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Solarzelle, Wirkungsgrad, Silizium, Dünnschicht, Perowskit, Quantenpunkte, Bandlücke, Ladungstrennung, Halbleiter, Energiewende, Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom, Dotierung, Kristallwachstum
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Masterthesis bietet eine umfassende vergleichende Betrachtung verschiedener moderner Solarzelltypen, von klassischen Siliziummodulen bis hin zu hochaktuellen organischen und hybriden Systemen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der physikalischen Funktionsweise, der Materialwissenschaft der verwendeten Halbleiter, den Herstellungsmethoden sowie der Optimierung von Wirkungsgraden.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, ein detailliertes Verständnis für die Qualitätsparameter von Photovoltaik-Anlagen zu vermitteln und Lösungen für die Optimierung der lichtaktiven Schicht zu diskutieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es handelt sich um eine systematische Literaturanalyse und vergleichende Betrachtung, die durch physikalische Modellierungen und technische Beschreibungen der Herstellungs- und Abscheidungsverfahren gestützt wird.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Analyse anorganischer (Si, CdTe, GaAs, CIS), organischer und hybrider (DSSC, Quantum Dot, Perowskit) Solarzellsysteme inklusive detaillierter Banddiagramme und Prozessoptimierungen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Wirkungsgrad, Photovoltaik, Perowskit, Halbleiterdotierung, Ladungstrennung und Dünnschichttechnologie.
Welchen Stellenwert haben Perowskit-Solarzellen in der Untersuchung?
Perowskit-Solarzellen werden besonders detailliert betrachtet, da sie aufgrund ihres rasanten Wirkungsgradanstiegs aktuell als technologischer Durchbruch in der Photovoltaik gelten.
Wie trägt die Arbeit zum Verständnis des Ladungstransports bei?
Die Arbeit analysiert detailliert die Bandstrukturen und Grenzflächeneffekte (z.B. mittels Banddiagrammen), die für eine effiziente Ladungstrennung und -sammlung in verschiedenen Zellarchitekturen entscheidend sind.
- Arbeit zitieren
- Sadik Mejid (Autor:in), 2016, Eine chemische Betrachtung zu Dünnschicht-Solarzellen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/475208
