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
- 6.2.1 CdTe-Solarzellen
- 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
- 6.3.1 Polymere Solarzellen (Lösungsprozessiert)
- 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
- 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
- 6.4.1 Farbstoffsensibilisierte Solarzelle (DSSC), Grätzelzelle
- 7. Zusammenfassung und Ausblick
- 8. Proposal
- 6.1.1 Silizium Solarzellen (monokristallin, polykristallin, amorph)
- 6.1 Anorganische Solarzellen
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Masterarbeit befasst sich mit einer vergleichenden Betrachtung verschiedener Dünnschicht-Solarzelltypen. Ziel ist es, die physikalischen Grundlagen, den Aufbau, die Funktionsweise und die Herstellungsmethoden der wichtigsten anorganischen, organischen und Hybrid-Solarzellen zu erläutern und zu vergleichen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Optimierung der lichtaktiven Schicht.
- Physikalische Grundlagen von Solarzellen
- Vergleichende Betrachtung verschiedener Solarzelltypen (anorganisch, organisch, Hybrid)
- Detaillierte Analyse von Perowskit-Solarzellen
- Diskussion von Optimierungsansätzen für die lichtaktive Schicht
- Bewertung der Vor- und Nachteile verschiedener Solarzelltechnologien
Zusammenfassung der Kapitel
4. Einleitung: Die Einleitung erläutert die Notwendigkeit der Entwicklung erneuerbarer Energiequellen und hebt die Vorteile von Solarzellen hervor, wie den umweltschonenden Betrieb und die Verfügbarkeit von Rohstoffen. Gleichzeitig werden die bisherigen Herausforderungen, insbesondere die hohen Herstellungskosten und die Wetterabhängigkeit, angesprochen.
5. Die Parameter von Solarzellen: Dieses Kapitel definiert und erklärt die wichtigsten Parameter zur Charakterisierung von Solarzellen: Leerlaufspannung (VOC), Kurzschlussstrom (ISC), Quantenausbeute (QE), Füllfaktor (FF) und Energieumwandlungseffizienz (η). Der Einfluss der Temperatur auf die Kennlinien wird beschrieben, und die Shockley-Queisser-Grenze als theoretische Effizienzgrenze wird eingeführt.
6.1.1 Silizium Solarzellen (monokristallin, polykristallin, amorph): Dieses Kapitel behandelt die gängigsten Solarzellen aus Silizium. Es werden die Unterschiede zwischen monokristallinen, polykristallinen und amorphen Siliziumzellen hinsichtlich Aufbau, Funktionsweise, Herstellung (Czochralski-Verfahren, Zonenschmelzverfahren, Bridgman-Verfahren) und Effizienz detailliert beschrieben. Die Rolle von Dotierung und die Problematik von Kristalldefekten werden erläutert.
6.1.2 Heterosolarzelle aus kristallinen und amorphen Siliziumschichten: Hier wird eine hocheffiziente Solarzelle aus kristallinen und amorphen Siliziumschichten beschrieben. Die einzelnen Schichten (Basis, Emitter, Rückseitenfeld, TCO, Kontaktgitter) und ihre Funktionen werden detailliert erklärt, einschließlich der Rolle von Passivierungsschichten. Die Herstellungsverfahren, insbesondere die Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) und das Sputtern, werden erläutert.
6.2.1 CdTe-Solarzellen: Dieses Kapitel beschreibt CdTe-Solarzellen als eine wichtige Dünnschichttechnologie. Der Aufbau mit den einzelnen Schichten (TCO, CdS, CdTe, Te, Sb2Te3, Ni:V) und deren Funktionen wird erklärt. Die verschiedenen Abscheideverfahren für CdS und CdTe werden vorgestellt, und die Umweltproblematik im Zusammenhang mit der Toxizität von Cadmium wird angesprochen.
6.2.2 GaAs-Solarzellen: Das Kapitel befasst sich mit GaAs-Solarzellen, die vor allem in der Raumfahrt Anwendung finden. Der Aufbau und die Funktionsweise werden beschrieben, wobei das Epitaxiale Lift-Off (ELO)-Verfahren und die Wiederverwendung von Substraten im Herstellungsprozess hervorgehoben werden. Die Vorteile und Nachteile von GaAs-Solarzellen werden im Hinblick auf Effizienz und Materialkosten diskutiert.
6.2.3 Multi-junction-Konzentrator Solarzellen: Hier werden Multi-junction-Solarzellen mit ihren hohen Wirkungsgraden vorgestellt. Der Aufbau aus mehreren Halbleiterschichten mit verschiedenen Bandlücken und die Funktionsweise werden erläutert. Die Waferbindungstechnik und die erzielten Rekordwirkungsgrade werden diskutiert.
6.2.4 CIS (CIGS, CIGSe): Dieses Kapitel beschreibt CIGS-Solarzellen als vielversprechende Dünnschichttechnologie. Aufbau, Funktionsweise und Herstellungsverfahren (Koverdampfung, sequentielles Verfahren) werden erläutert, wobei der Einfluss von Natrium und die Rolle der CdS-Pufferschicht hervorgehoben werden. Die Vor- und Nachteile von CIGS-Solarzellen im Hinblick auf Materialverwendung, Effizienz und Umweltaspekte werden diskutiert.
6.2.5 CZTS(Se) (Cu2ZnSnS(Se)4): Dieses Kapitel behandelt CZTS(Se)-Solarzellen als eine vielversprechende, umweltfreundliche Alternative zu CIGS-Zellen. Aufbau, Funktionsweise und Herstellungsverfahren (Vakuumbasierte Abscheidung, Sputtern, Dampfabscheidung, PLD) werden beschrieben, ebenso die Bedeutung von Ätzprozessen zur Optimierung der Zellleistung. Die bisherigen Herausforderungen bei der Erreichung hoher Wirkungsgrade werden angesprochen.
6.3.1 Polymere Solarzellen (Lösungsprozessiert): Dieses Kapitel erläutert den Aufbau und die Funktionsweise von polymeren Bulk-Heterojunction-Solarzellen. Die Rolle von Donor- und Akzeptormaterialien (Polymere und Fullerene/Nicht-Fullerene) wird beschrieben, sowie die Bedeutung der Bulk-Heterojunction zur Minimierung von Ladungsträgerrekombination. Verschiedene Herstellungsverfahren (Spincoating, Doctor Blading, Tintenstrahldruck) werden vorgestellt.
6.3.2 Organische Solarzellen basierend auf kleine Moleküle: Hier werden organische Solarzellen auf Basis kleiner Moleküle behandelt, mit Fokus auf deren Aufbau, Funktionsweise und Herstellungsverfahren. Die Verwendung dotierter Carbazolocarbazole als Lochtransportmaterialien und der Vergleich von invertierten (p-i-n) und konventionellen (n-i-p) Strukturen werden diskutiert.
6.4.1 Farbstoffsensibilisierte Solarzelle (DSSC), Grätzelzelle: Dieses Kapitel beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise von Farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSCs). Die Rolle der Photoelektrode (TiO2 mit adsorbiertem Farbstoff), der Gegenelektrode und des Elektrolyten wird erklärt. Die Herstellungsschritte, insbesondere die Aufbringung der TiO2-Schicht und die Sensibilisierung mit Farbstoff, werden detailliert beschrieben.
6.4.2 Quantum dot Solarzellen: Das Kapitel behandelt Quantum Dot (QD)-Solarzellen. Der Aufbau und die Funktionsweise werden erläutert, wobei die Möglichkeit der Bandlückenabstimmung durch die Partikelgröße und die Verwendung verschiedener QD-Materialien (CdSe, PbS, etc.) hervorgehoben werden. Verschiedene QD-Solarzellkonzepte (CdSe-TiO2, CdSe-C60, SWCNT-TiO2) und ihre Herstellung werden vorgestellt.
6.4.3 Perowskit-Solarzelle: Dieses Kapitel beschreibt Perowskit-Solarzellen als hocheffiziente Dünnschichttechnologie. Die Entwicklung, der Aufbau (n-i-p und p-i-n Strukturen), die Funktionsweise und verschiedene Herstellungsverfahren (einstufige und zweistufige Lösungsabscheidung, Dampfabscheidung) werden erläutert. Die Bedeutung der Optimierung von Bandlücke, Kontakten und Prozessschritten sowie die Umweltproblematik im Zusammenhang mit der Verwendung von Blei werden diskutiert.
8. Proposal: Das Proposal beschreibt die weiteren Forschungsschritte zur Entwicklung optimierter Solarzellen. Es werden verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Lichtabsorption, zur Verwendung neuer Materialien und zur Optimierung der Herstellungsprozesse vorgeschlagen. Zusätzliche Untersuchungsmethoden (AFM, REM, TEM, Ellipsometrie, Gassorption, TCSPC) werden genannt.
Schlüsselwörter
Dünnschicht-Solarzellen, Silizium, CdTe, GaAs, CIGS, CZTS(Se), Polymere Solarzellen, Quantum Dots, Perowskit-Solarzellen, Wirkungsgrad, Herstellungsverfahren, Bandlücke, Lichtabsorption, Ladungsträgerrekombination, Optimierung.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zu "Masterarbeit: Vergleichende Betrachtung verschiedener Dünnschicht-Solarzelltypen"
Was ist der Hauptfokus dieser Masterarbeit?
Die Masterarbeit befasst sich mit einer vergleichenden Betrachtung verschiedener Dünnschicht-Solarzelltypen. Ziel ist es, die physikalischen Grundlagen, den Aufbau, die Funktionsweise und die Herstellungsmethoden der wichtigsten anorganischen, organischen und Hybrid-Solarzellen zu erläutern und zu vergleichen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Optimierung der lichtaktiven Schicht.
Welche Solarzelltypen werden behandelt?
Die Arbeit behandelt eine breite Palette an Solarzelltypen, darunter:
- Anorganische Solarzellen: Silizium (monokristallin, polykristallin, amorph), Heterosolarzellen aus kristallinen und amorphen Siliziumschichten, CdTe, GaAs, Multi-junction-Konzentrator Solarzellen, CIS (CIGS, CIGSe), CZTS(Se).
- Organische Solarzellen: Polymere Solarzellen (lösungsprozessiert), organische Solarzellen basierend auf kleinen Molekülen.
- Hybrid Solarzellen: Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC), Grätzelzellen, Quantum dot Solarzellen, Perowskit-Solarzellen.
Welche Parameter werden zur Charakterisierung von Solarzellen verwendet?
Die Arbeit beschreibt und erklärt die wichtigsten Parameter zur Charakterisierung von Solarzellen: Leerlaufspannung (VOC), Kurzschlussstrom (ISC), Quantenausbeute (QE), Füllfaktor (FF) und Energieumwandlungseffizienz (η). Der Einfluss der Temperatur auf die Kennlinien wird ebenfalls erläutert.
Welche physikalischen Grundlagen werden behandelt?
Die Arbeit erläutert die physikalischen Grundlagen von Solarzellen, einschließlich der Funktionsweise der p-n-Übergänge, der Lichtabsorption und der Ladungsträgertrennung und -transport.
Wie werden die verschiedenen Solarzelltypen verglichen?
Die Arbeit vergleicht die verschiedenen Solarzelltypen hinsichtlich ihres Aufbaus, ihrer Funktionsweise, ihrer Herstellungsmethoden, ihrer Vor- und Nachteile und ihrer Effizienz.
Welche Herstellungsverfahren werden beschrieben?
Die Arbeit beschreibt verschiedene Herstellungsverfahren, wie z.B. das Czochralski-Verfahren, Zonenschmelzverfahren, Bridgman-Verfahren, Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), Sputtern, Koverdampfung, sequentielles Verfahren, Vakuumbasierte Abscheidung, Spincoating, Doctor Blading, Tintenstrahldruck.
Wie wird die Optimierung der lichtaktiven Schicht behandelt?
Die Arbeit diskutiert verschiedene Ansätze zur Optimierung der lichtaktiven Schicht, z.B. durch die Wahl geeigneter Materialien, die Optimierung der Schichtdicke und der Oberflächenstruktur sowie der Verwendung von Passivierungsschichten.
Welche Bedeutung haben Perowskit-Solarzellen in der Arbeit?
Perowskit-Solarzellen werden detailliert analysiert, einschließlich ihrer Entwicklung, ihres Aufbaus (n-i-p und p-i-n Strukturen), ihrer Funktionsweise und verschiedener Herstellungsverfahren. Die Bedeutung der Optimierung von Bandlücke, Kontakten und Prozessschritten sowie die Umweltproblematik im Zusammenhang mit der Verwendung von Blei werden diskutiert.
Welche Schlussfolgerungen werden gezogen?
Die Arbeit zieht Schlussfolgerungen über die Vor- und Nachteile der verschiedenen Solarzelltechnologien und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsrichtungen.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit am besten?
Dünnschicht-Solarzellen, Silizium, CdTe, GaAs, CIGS, CZTS(Se), Polymere Solarzellen, Quantum Dots, Perowskit-Solarzellen, Wirkungsgrad, Herstellungsverfahren, Bandlücke, Lichtabsorption, Ladungsträgerrekombination, Optimierung.
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- Sadik Mejid (Autor), 2016, Eine chemische Betrachtung zu Dünnschicht-Solarzellen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/475208
