Photovoltaik Solarstrahlung und Halbleitereigenschaften,

xuandihou

Inhaltsverzeichnis
Symbole  IX
1.  Einleitung  1
1.1  Geschichtliche Entwicklung der Photovoltaik  3
2.  Die Solarstrahlung als Energiequelle der Photovoltaik  7
2.1  Strahlungsquelle Sonne und Strahlungsempfänger Erde  7
2.2  Die Sonne als Schwarzer Strahler  9
2.3  Leistung und spektrale Verteilung der terrestrischen Solarstrahlung  10
3.  Halbleitermaterial für die photovoltaische Energiewandlung  19
3.1  Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Festkörper  19
3.2  Photovoltaischer Grenzwirkungsgrad  22
3.3  Beschreibung der Ladungsträgergeneration durch Absorption von Strahlung 25
3.4  Grundlagen der Halbleitertechnik für Solarzellen  29
3.5  Überschussladungsträgerprofil in homogenem Halbleitermaterial  31
3.6  Strategien zur Trennung der generierten Überschussladungsträger  38
3.7  Reflexionsverluste  41
4.  Grundlagen für Solarzellen aus kristallinem Halbleitermaterial  43
4.1  Die Halbleiterdiode als Solarzelle  43
4.2  Grundmodell einer kristallinen Solarzelle  45
4.2.1  Elektronenstrom  47
4.2.2  Löcherstrom  49
4.2.3  Gesamtstrom  51
4.2.4  Spektrale Empfindlichkeit  53
4.3  Bestrahlung mit einem Standardspektrum  55
4.4  Technische Solarzellen-Parameter  56
4.5  Das Ersatzschaltbild einer kristallinen Solarzelle  58
4.6  Grenzwirkungsgrad einer Dioden-Solarzelle aus Silizium  59
5.  Monokristalline Silizium-Solarzellen  63
5.1  Diskussion der spektralen Empfindlichkeit  63
5.2  Temperaturverhalten der Generatoreigenschaften  73
5.3  Parameter einer optimierten c-Si-Solarzelle  76
5.4  Kristallzüchtung  77
5.5  Präparation  79
5.6  Hochleistungs-Solarzellen  82
5.7  Degradation der Solarzelleneigenschaften beim Einsatz im Weltraum
(radiation damage)  86
6.  Polykristalline Silizium-Solarzellen  90
6.1  Aufbereitung des Ausgangsmaterials zum SGS-Silizium  90
6.2  Neue Verfahren zur Raffination von Silizium: Wirbelschicht-Verfahren für
SoG-Silizium sowie Abscheidung von UMG-Silizium aus einer Silizium-
Aluminium-Schmelze im Vergleich zum EGS-Material  95
6.3  Kokillenguss-Verfahren für multikristalline Silizium-Blöcke (mc-Si)  99
6.4  Modell der Korngrenze im multikristallinen Silizium 102
6.4.1  Berechnung der spektralen Überschussladungsträgerdichte 104
6.4.2  Zweidimensionales Randwertproblem der Photostromdichte eines
einzelnen Mikrokristalliten  106
6.5  Bewertung von spektraler Empfindlichkeit und Photostromdichte  111
6.6  Präparation  115
7.  Solarzellen aus Verbindungshalbleitern 119
7.1  Vergleich der Solarzellenmaterialien Silizium und Galliumarsenid  119
7.2  Konzept der GaAs-Solarzelle mit AlGaAs-Fensterschicht  120
7.3  Modellrechnung zur AlGaAs/GaAs-Solarzelle  121
7.4  Kristallzüchtung  127
7.5  Flüssigphasen-Epitaxie für GaAs-Solarzellen  129
7.6  Präparation von GaAs-Solarzellen mit LPE  130
7.7  Gasphasen-Epitaxie der III/V-Halbleiter zur Abscheidung dünnster Schichten 130
7.8  Stapel-Solarzellen aus III/V-Halbleiter-Material  132
7.9  Konzentrator-Technologie mit III/V-Stapelzellen  136
8.  Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium  140
8.1  Eigenschaften des amorphen Siliziums  140
8.2  Dotieren des amorphen Siliziums  144
8.3  Physikalisches Modell der a-Si:H-Solarzelle  148
Inhaltsverzeichnis  VII
8.3.1  Dunkelstrom  149
8.3.2  Photostrom  152
8.4  Präparation  159
8.5  Verringerung der Degradationseffekte  163
8.6  Herstellung von a-Si:H-Solarzellen  164
9.  Alternative Solarzellen-Konzepte  167
9.1  Bifacial-MIS-Solarzelle aus kristallinem Silizium  167
9.2  Solarzellen aus Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2) 168
9.3  a-Si:H/c-Si-Solarzellen  169
9.4  Die Kugelelement-Solarzelle  171
9.5  Solarzellen aus organischen Halbleitern  173
9.5.1  Halbleiter aus organischen Molekülen  173
9.5.2  Solarzellen aus organischem Werkstoff  176
9.5.3  Farbstoff-Solarzellen (engl.: dye solar cells) 178
9.6  Solarzellen der 3. Generation  179
10.  Ausblick  183
Anhang A  Rechnungen und Tabellen  185
A.1  Lösung des Integrals zur Berechnung des Grenzwirkungsgrades 185
A.2  Lösung der Diffusionsgleichung  187
A.3  Das Standardspektrum AM1.5global  193
A.4  Der Absorptionskoeffizient von Silizium für T=300 K  194
Anhang B  Übungsaufgaben  195
Aufgabe Ü 2.1 zum Kap. 2  AM-Werte unterschiedlicher Orte in Europa  195
Aufgabe Ü 2.2 zum Kap. 2  Abschätzung der Solarkonstanten E0 mit einfachen
Mitteln 197
Aufgabe Ü 2.3 zum Kap. 2  Abschätzung des AM(1,5)-Wertes für Berlin  199
Aufgabe Ü 2.4 zum Kap. 2  Tägliche Sonnenbahn und solare Bestrahlungsstärke
sowie Tages- und Jahressummen der Sonnenenergie auf einer
Horizontalfläche an einem Ort wie Berlin  201
Aufgabe Ü 3.1 zum Kap. 3  Dember-Solarzelle  208
Aufgabe Ü 3.2 zum Kap. 3  Zweidimensionale numerische Lösung der
Differentialgleichung der Ladungsträger-Diffusion 212
Aufgabe Ü 3.3 zum Kap. 3  Analytische Lösung der partiellen
Differentialgleichung der Elektronen-Verteilung ǻn(x,y) in einer p-leitenden
Silizium-Scheibe der Größe B·H unter solarer Beleuchtung  217
Aufgabe Ü 5.1 zum Kap. 5  Analyse von Silizium-Solarzellen 219

Scheon

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