Im Rahmen dieser Hausarbeit möchte ich die technischen Entwicklungen als auch die Potentiale der photovoltaischen Sonnenenergienutzung ausarbeiten. Hierbei gehe ich auf die Entwicklungen im Bereich der Solarzellen auf Siliziumbasis im besonderen der Dünnschichttechnik, sowie auf die Entwicklung einer photochemischen Solarzelle nach Grätzel ein. Nach einer Einführung in die physikalischen Grundlagen werde ich aktuelle Entwicklungen dieser Technologien diskutieren.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
2 Motivation
3 Physikalische Grundlagen
3.1 Licht als elektromagnetische Welle
3.2 Der Photoelektrische Effekt
3.3 Die photovoltaische Energiewandlung mit Siliziumsolarzellen
3.3.1 Aufbau und Herstellung
3.3.2 Funktionsprinzip
3.4 Die photochemische Energiewandlung
3.4.1 Aufbau der Grätzel Zelle
3.4.2 Funktionsprinzip
4 Entwicklungen und Potentiale der Photovoltaik
4.1 Ersatzschaltbild und Wirkungsgrad
4.2 Untersuchung des Wirkungsgrades der Grätzel Zelle
4.3 Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von amorphem und mikrokristallinem Silizium
4.4 Die Grätzel Zelle
5 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die technischen Entwicklungen sowie die Potentiale der photovoltaischen Solarenergienutzung. Dabei liegt der Fokus auf dem Vergleich zwischen klassischen Silizium-Solarzellen und der photochemischen Grätzel-Zelle, um deren Wirkungsgrade und Anwendungsgebiete einzuordnen.
- Physikalische Grundlagen der Licht-Materie-Interaktion
- Technischer Aufbau und Funktionsweise von Silizium-Solarzellen
- Mechanismen der photochemischen Energiewandlung in Grätzel-Zellen
- Analyse des Wirkungsgrades und der Leistungsfähigkeit photovoltaischer Systeme
- Dünnschichttechnologien auf Siliziumbasis im Vergleich
Auszug aus dem Buch
3.1 Licht als elektromagnetische Welle
Das sichtbare Licht ist der Teil der elektromagnetischen Strahlung, der vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Dies entspricht dem Bereich der elektromagnetischen Wellen zwischen 380-780 nm Wellenlänge. Dieses sichtbare Spektrum ist nur ein kleiner Teil des Spektrums der Solarstrahlung. Elektromagnetische Wellen sind gekennzeichnet durch ihre: • Ausbreitungsgeschwindigkeit c in m/s • Wellenlänge λ in m • Frequenz ν in 1/s
Im Allgemeinen schwingen der elektrische und der magnetische Feldvektor jeweils senkrecht zueinander als auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Polarisiertes Licht bedeutet, daß die Feldvektoren jeweils nur in einer Schwingungsebene im Lichtstrahl vorkommen. Bei unpolarisiertem Licht überlagern sich alle Schwingungsebenen. Im Vakuum ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit eine Konstante c0 = 299792458 m/s und unabhängig von der Frequenz der Welle. Trifft die Strahlung jedoch auf Materie, d.h. auf ein Medium mit bestimmten Materialeigenschaften, wie der Permittivität und der Permeabilität, so verringert sich die Geschwindigkeit je nach Material und wird frequenzabhängig. Hierbei bestimmt die Permittivität ε die Durchlässigkeit eines Mediums für elektrische Felder und die Permeabilität μ für magnetische Felder. Es besteht folgender physikalischer Zusammenhang: c(ε, μ, ν) = ν · λ
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Die Einleitung beleuchtet die globale Bedeutung fossiler Brennstoffe und die Notwendigkeit, durch neue Ansätze in der dezentralen Energieversorgung Alternativen zu etablieren.
2 Motivation: Dieses Kapitel skizziert die Zielsetzung der Arbeit, die technischen Entwicklungen und Potentiale der photovoltaischen Energienutzung, insbesondere der Dünnschichttechnik und der Grätzel-Zelle, zu untersuchen.
3 Physikalische Grundlagen: Hier werden die theoretischen Basisphänomene wie die Wellennatur des Lichts, der photoelektrische Effekt sowie die spezifischen Funktionsweisen von Silizium- und Grätzel-Zellen erläutert.
4 Entwicklungen und Potentiale der Photovoltaik: Dieses Kapitel analysiert die Leistungsfähigkeit mittels Ersatzschaltbildern, untersucht den Wirkungsgrad der Grätzel-Zelle und bewertet Dünnschichttechnologien sowie aktuelle Forschungsaspekte der Grätzel-Zelle.
5 Zusammenfassung: Die Zusammenfassung resümiert, dass die Photovoltaik derzeit eine Nischentechnologie ist, jedoch durch technologische Fortschritte und neue Anwendungsgebiete ein erhebliches Potenzial für die Zukunft besitzt.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Solarenergie, Grätzel Zelle, Siliziumsolarzelle, Photochemische Energiewandlung, Wirkungsgrad, Halbleiter, Bandlücke, Elektronentransfer, Dünnschichttechnik, Lichtabsorption, Strahlungsenergie, Energiewende, Materialwissenschaften.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der technischen Entwicklung und dem Potenzial der solaren Energiegewinnung, insbesondere mit dem Vergleich zwischen herkömmlichen Silizium-Solarzellen und der Grätzel-Zelle.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die Arbeit deckt die physikalischen Grundlagen der Strahlungsnutzung, die Funktionsweise von Halbleitern, die Analyse von Wirkungsgraden und den Stand der Technik bei Dünnschichtsolarzellen ab.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist es, die Effizienz und die technischen Potenziale der photochemischen Solarenergiewandlung im Kontext der etablierten Silizium-Photovoltaik zu bewerten.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Der Autor verwendet eine theoretische Herleitung über physikalische Ersatzschaltbilder und Kennlinien sowie eine Analyse aktueller wissenschaftlicher Modelle zum Elektronentransfer.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Darstellung physikalischer Grundlagen, die detaillierte Beschreibung der Zellaufbauten (Silizium vs. Grätzel) und eine mathematische Analyse der Leistungsfähigkeit und Verluste.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Photovoltaik, Grätzel Zelle, Wirkungsgrad, Bandlücke, Dünnschichttechnik und Elektronentransfer.
Warum ist die Grätzel Zelle ein wichtiger Forschungsgegenstand?
Sie bietet eine Alternative zu Silizium-Zellen durch ein anderes Funktionsprinzip (sensibilisierte Farbstoffe) und verspricht eine potentiell kostengünstigere Herstellung, erfordert jedoch noch Forschung zur Langzeitstabilität.
Welche Rolle spielt die Bandlücke bei Solarzellen?
Die Bandlücke bestimmt die Energieeffizienz, da sie festlegt, welcher Anteil des Lichtspektrums absorbiert werden kann und wie hoch die Spannung ist, die bei der Energiewandlung erzeugt wird.
- Arbeit zitieren
- Thomas Meyer (Autor:in), 2004, Die Grätzel-Zelle. Die photochemische Solarenergiewandlung im Vergleich zur Photovoltaik auf Siliziumbasis, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/51086
