Theorie

Emission von freien Ladungsträgern

-> Energie des Photons muss größer als die Arbeitsfunktion sein

Erregung von Elektronen

->Übergang von Valenzband auf Leitungsband

Energie des Photons muss größer als die Bandweite delE sein

Dafür:

1. Muss Strahlung absorbiert werden.

2. Absorption muss zur Erregung eines freien Ladungsträgers führen.

3. Ladungsträger müssen von einem internen ele. Feld getrennt werden.

Leiter: Leitfähigkeit sinkt mit steigender Temp. -> Höchste Leitfähigkeit für T=0K ->positiver Temp.koeffizient

Halbleiter: Leitfähigkeit steigt mit steigender Temp. -> Leitfähigkeit bei T=0 K auch Null ->negativer Temp.koeffizient

Elektronen bewegen sich auf festen Leveln mit festem Abstand zum Kern. In Feststoffen (sehr nah zusammen) liegen die einzelnen Level so eng zusammen, dass sie sich nahezu überlappen. Dadurch bilden sich verschiedene Bänder, also Zonen mit gleichem Energielevel. Elektronen nah am Kern sind sehr stark gebunden. Elektronen im Valenzband hingegen können mit Nachbaratomen interagieren.

-4. Hauptgruppe

-jedes Atom hat den gleichen Abstand zum Nachbaratom

-starke Bindung untereinander

-nicht Leitfähig -> dafür müssen Bindungen gebrochen werden

-Valenzele. werden freie negative Ladungsträger n0 -> kann sich frei bewegen

-zurückgelassenes “Loch” ist freier positiver Ladungsträger p0 -> kann mit gebunden Ele. den Platz tauschen und sich dadurch bewegen, aber langsamer (Faktor 3)

-> je gebrochene Bindung ist ein Ele.-Loch-Paar n0=p0

-> tragen zur Leitfähigkeit bei -> Eigenleitung

-> Separation durch ele. Feld

Anzahl an Ladungsträgern heißt Innendichte ni=n0

-benötigt Energie, um Bindungen zu brechen

->thermische Energie oder Energie eines Photons

Transport:

• durch ein ele. Feld (Driftstrom)

• Diffusion (Diffusionsstrom) -> Konzentrationsausgleich

Generationsrate G: generierte Ele.-Loch-Paare pro Zeit und Volumen

G = G0 + Gph

G0: thermische Generationsrate

Gph: Generationsrate durch Photonen -> jedes Photon mit Energie (h*f) größer als die Bandweite produziert ein Ele.-Loch-Paar

-> zudem kann die Energie auch im Ec absorbiert werden -> auch Erregung, aber kein Ele.-Loch-Paar

-> wenn multiple nötige Energie delE: Generation mehrerer Ele.-Loch-Paare -> spielt nur geringe Rolle

Rekombinationsrate R: Anzahl von Ele. die pro Zeit und Volumen in ihr Loch zurückfallen

G~T

R~n0*p0

Bei thermischem Gleichgewicht: G=R

Gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, ob ein Energielevel besetzt ist. Dabei wird vernachlässigt, ob das besetzte Energielevel überhaupt zulässig ist. Wichtig für die Vorhersage von G.

Viel Energie, um Bingungen zu brechen

-> schlechte Leitfähigkeit

-> verbessert, indem mehr freie Ladungsträger

-> Dopen: Einbringen von Unreinheiten

Unreinheiten einbringen, um Leitfähigkeit/freie Ladungsträger zu erhöhen

-> können thermisch ionisiert werden

-> n-gedoped: Energie des Dopingmaterials nahe Ec

-> p-gedoped: Energie des Dopingmaterials nahe Ev

• Material aus 5. Hauptgruppe

• 5 Valenzelektronen -> nur 4 benötigt

• übriges Ele. -> Donator

• Ladungstransport basiert auf negativen Ladungsträgern

• Elemente aus der 3. Hauptgruppe

• ein Valenzele. weniger

• Loch bleibt übrig -> Akzeptor

• Ladungstransport durch positive Ladungsträger

Donator:

• ND: neutral, wenn von Ele. besetzt

• ND+: positiv geladen, wenn nicht von Ele. besetzt

Akzeptor:

• NA-: negativ geladen, wenn von Ele. besetzt

• NA: neutral, wenn nicht von Ele. besetzt

Ladunsträgerkonzentration n-doped:

n=n0 + ND+

Ele.-Loch-Paar bekommt Energie und Momentum eines Phonons

Phonon: Vibration der Gitterstruktur durch thermische Energie

-> Energie geringer als Photon, Impuls größer als Photon

Direkt: Ev und Ec liegen direkt übereinander -> nicht verschoben

-> Energie eines Photons reicht, um Ele. von Ev zu Ec zu erregen

Indirekt: Ev und Ec sind verschoben

-> zusätzlich zur Energie eines Photons wird der Impuls eines Phonons zur Erregung benötigt

Wellenlänge, bei der Photonen nicht mehr absorbiert werden können und der Halbleiter transparent agiert. Absorptionskoeffizient Alpha:

Ele. wird höher als auf Ec angeregt

-> Kollisionen mit dem Gitter -> Energieverlust

-> Diffusion richtung Ec

—> Erhitzt Material -> limitiert Effizienz

• keine externen Kräfte (Spannung, ele. Feld, magn. Feld, Temperaturgradient)

• kein Stromfluss

• Generation nur durch thermische Erregung G0

• Rekombination nur nach der Lebenszeit eines Ladungsträgers

• Rekombinations durch Strahlungsabgabe

• Auger Rekombination

• Shockley-Read-Hall Rekombination (SRH)

• Oberflächen Rekombination

• inverse Generation

• Energie in Form von Licht abgegeben

• Ele.-Loch-Paar löscht sich aus

• Rekombinationsmöglichkeiten:

  • Lichtgeneriertes Ele. und thermisch generiertes Loch

  • Lichtgeneriertes Loch und thermisch generiertes Ele.

  • Lichtgeneriertes Ele. & Loch

• Ele. fällt von Ec ins Ev zurück

• abgegebene Rekombinationsenergie an anderes Ele. in Ec

• Erregung über Ec -> Kollission mit Gitter -> Hitzeentstehung -> Phonon-Emission

• benötigt zwei Ele. und ein Loch -> wahrscheinlich in n-Typ

• benötigt zwei Löcher und ein Ele. -> wahrscheinlich in p-Typ

• ohne Strahlung

• Unreinheiten im Gitter sorgen für annehmbare Level (Falllevel Et) in der verbotenen Zone -> können Akzeptor- & Donatoreigenschaften haben

• Ele. fällt auf Et -> kann danach mit einem Loch im Ev rekombiniert werden

• beispielsweise Korngrenzen

• Unreinheiten an Oberflächen diffundieren ins Gitter -> bieten Falllevel Et -> wie Shockley-Read-Hall

• Klassisches Modell einer Solarzelle

• Zonen eines Halbleiters verschieden Dopen

  -> Annahme: aprupter Übergang zwischen p- & n-dotiert

• Unterschied in den Majoritätsladungsträgern

• Diffusion, um Gleichgewicht wiederherzustellen

• diffundierte Ladungsträger lassen feste Ladungen in der gedopten Region zurück -> SCR mit ele. Feld

  -> Diffusionsstrom und Driftstrom

  -> bei thermischem Gleichgewicht sind beide gleich

• ohne Lichteinstrahlung, nur Spannung

• positiver Pol an p-Region angeschlossen

• Spannung leitet Ele. in n-Region & Löcher in p-Region

• SCR verhindert das interne Durchbrechen von Ele. in p-Region und Löcher in n-Region

• freie Ladungsträger reduzieren die Anzahl fester Ladungsträger

  -> SCR wird kleiner

• bei Spannungserhöhung verschwindet die SCR irgendwann

• positiver Pol an n-Region angeschlossen

• Spannung leitet Ele. in p-Region und Löcher in n-Region

• SCR vergrößert sich

• Belecuhtung führt zur optischen Erregung von Ladungsträgern

  -> Effekt auf Majoritätsladungsträger ist vernachlässigbar

  -> Dichte der Minoritätsladungsträger erhöht sich deutlich

  -> erhöhte Ladungsträgerdichte

• generierte Ele.-Loch-Paare werden durch SCR getrennt -> Ele. zu n-Region, Löcher zu p-Region

• Ladungsträgerdichte in SCR bleibt annähernd gleich

• durch die Änderung der Verteilung von Ladungsträgern entseht ein Diffusionstrom von Minoritätsladungsträgern in Richtung SCR

  -> Photostom Iph

• Ele. & Löcher tragen zu Dunkelstrom bei

1. Absorption im emitter:

   • hochgradig n-dotiert -> sehr kurze Diffusionslänge -> Löcher rekombinieren vor SCR -> kein Beitrag zu Iph -> tote Schicht

2. Absorption in SCR:

   • ele. Feld trennt Ladungsträger -> Ele. zu n-Region, Löcher zu p-Region

   • fast alle Ele.-Loch-Paare tragen zu Iph bei

3. Absorption in einer Diffusionslänge von Ele.:

   • Ele.-Loch-Paar außerhalb von SCR generiert

   • Ele. diffundieren langsam als Minoritätsladungsträger

   • dadurch, dass es sich in der Diffusionslänge des ele. Feldes befindet, erreciht es mit hoher Wahrscheinlichkeit SCR

4. Absorption außerhalb einer Diffusionslänge:

   • weit außerhalb der Diffusionslänge -> hohe Wahrscheinlichkeit einer Rekombination -> kein Beitrag zu Iph

• Erwartung: durch mehr Ele. nähert es sich Ec an; durch mehr Löcher nähert es sich Ev an

  -> was passiert jetzt?

• 2 Fermi-Level; Ef,c & Ef,v; sogenannte Quasi-Fermi-Level

• unendlich ausgedehnte n- & p-Regionen

• konstante Geneartionsrate im gesamten Gitter

• Vernachlässigung Oberflächenrekombination

• Vernachlässigung SCR-Rekombunation

• keine ohmschen Verluste

• kann vernachlässigt werden, wenn:

  • Ausdehunung der SCR nur eine geringe Rolle spielt

  • Rekombination größtenteils außerhalb SCR stattfindet

• für große Bandweiten muss ein zweiter Stom in Betracht gezogen werden -> für Rekombination in SCR

  —> zwei-Dioden-Modell:

• Widerstände des Halbleitermaterials, der Metallkontakte & des Metall-Halbleiter-Interfaces

• Serieller Widerstand: Rs = delVoc/deli

• Parallelwiderstand: Rsh = delV/delisc

• für Isc: im Kurzschluss laufen lassen -> nur Iph -> abhängig von der Einstrahlung

• für Voc: im Leerlauf laufen lassen -> durch Einstrahlungsabhängigkeit der Stromstärke auch Einstrahlungsabhängig

• Effizienz: eta=Pmpp/Poptical = Pmpp/(A*E)

1. Herstellung von metallurgischem Si

2. Herstellung von solarreinem Si (höhere Reinheit)

3. Kristallisation zu mono-/polykristallinem Si

4. Sägen von Si-Scheiben

5. pn-Übergang dotieren

6. Antireflexionsbeschichtung

7. Kontakte aufbringen

8. Testen und Sortieren

• Prozess zur Herstellung von solarreinem Si

• metallurigusches Si mit HCl bei 31,8 °C in Reaktor gegeben

  -> SiHCl3 und H2

• SiHCl3 und H2 in weiteren Reaktor gegeben (Siemens Reaktor)

• dort formt sich sehr reines Silizium als Stäbe, zudem entsteht HCl und SiCl4

  -> Dauer: 3-4 d; Temp.: 1350 °C

• sehr energieaufwendig

• Herstellung von verbessertem metallurgischem Si (UMG-Si)

• Reinigung von metallurgischem Si direkt nach dessen Entstehen

  -> geschmolzenes Si bei 800 °C in Alu gegeben

  -> Abkühlen und Bildung von Si-Kristallen

• 50% weniger Energei als Siemens

• Methode zur Herstellung von mono-kristallinem Si

• hierbei werden lange Zylinder “gezogen” (2 m lang, 30 cm Durchmesser)

  1. Schmelzen von Polysilizium und dotieren

  2. einbringen eines Startkristalls

  3. Krisallwachstum am Startkristall

     -> ständiges drehen und ziehen

  4. Kristall wird immer länger

• zylindrischer Poly-Si-Stab

• Heizring wird von unten nach oben gefahren

  -> Si schmilzt und kristalliert erneut

  -> Unreinheiten werden nach oben geschoben

  -> sehr hohe Kristallqualität

1. Bridgeman Prozess

   • Schmelztiegel mit Si

   • wird über Heizelemente außerhalb des Tiegels geschmolzen

   • Tiegel wird kontinuierlich nach unten hin aus den Heizelementen bewegt

   • unten beginnt die Kristallisation

2. Blockgieß-Verfahren

   • Si in Schmelztiegel schmelzen

   • in weiteren Tiegel gießen, in welchem es dann kristalliert

     -> geringe Kristallisationszeit

• es entstehen bei beiden Prozessen Risse im Si

• die Tiegel müssen anti-haft-beschichtet sein

• Si muss in Wafer geschnitten werden

  -> lange Stahlfäden schneiden Si

  -> ungefähr 50% Sägeverlust

• Ätzen:

  • alkalisch, sauer oder mit Plasma

  • Sägeschäden wegätzen

  • zusätzlich pyramidenförmige Oberfläche einätzen

    -> höhere Absorptionschance

• Diffusion der Donator Atome bei 800-900 °C

• anti-reflekt-Schicht aus Siliziumnitrid

  -> sieht blau aus

• reduziert Rekombination an der Oberfläche

• Serielles Verschalten der Zellen (Strings)

• Strings werden zwischen Folie verkapselt

• Glas oben drauf

• entweder Glas oder Plastik als Rückseite

• bei 150 °C miteinander verschmolzen

• zwei Glashalbkugeln mit Absorberplatte und Thermoelementen im inneren

  -> Glashalbkugeln verhindern, dass viel Strahlung von innen nach außen geräht

• Strahlung heizt den Absorber auf

  -> Thermoelemente erwärmen sich

• geben Spannung aus, welche proportional zur Einstrahlung ist

—> aktiver Sensor (ohne Energieversorgung)

• eine ZELLE, kein Modul

• IV-curve muss vorher bestimmt werden

• bei anderen Einstrahlungsbedingungen ändert sich IV-curve

  -> daraus kann die Einstrahlung bestimmt werden

• unterschiedliche Messabweichung je nach Einstrahlwinkel

  -> nie direkt miteinander vergleichen

• Pyranometer:

  • sehr präzise, großes abgedecktes Spektrum, kleiner Richtungsfehler

  • teuer, hohe Reaktionszeit

• Referenzzelle:

  • günstig, einfach, schnelle Reaktionszeit

  • Spektraler Fehler, ungenauer

• über einen verstellbaren Widerstand

  -> messen verschiedener möglicher Arbeitspunkte auf der IV-curve

• über einen Kondensator

  -> lädt sich auf

• über einen Transistor

• Flasher

  • kurzer Lichtblitz (100 ms)

  • Messung von IV-curve, Einstarhlung und Zelltemp.

• Stationärer Sonnensimulator

  • kontinuierliches Licht

  • Zelltemp. steigt über STC -> Korrektion notwendig

• spezielle Kamera, mit welcher lichtinaktive Stellen eines Moduls sichbar werden -> schwarze Stellen

• Reihenschaltung von Modulen heißt Strang (String)

• Parallelschaltung von Strängen heißt Array/Generator

• kürzerer Strang agiert als Last

  -> unvorteilhafter Arbeitspunkt

  -> auch durch regionale Erdschlüsse Möglich

• auch ein verschattetes Modul kann als Last wirken

  -> komplette Leistung der unverschatteten Module wird in LAstmodul übertragen

  -> extreme Hitzeentwicklung und Schäden im verschatteten Modell

• Modul arbeitet immer im Schnittpunkt der LAst mit der IV-curve

  -> muss nicht der MPP sein

• kann durch converter gesteuert werden

  -> nehmen Leistung vom MPP aus Isopower-Linie und verändern den Betriebspunkt hin zum Schnittpunkt von Last und Isopower-Linie

• verschiedene Converter:

  • Tiefsetzsteller (step-down): Schnittpunkt Last/IV vor MPP

  • Hochsetzsteller (step-up): Schnittpunkt Last/IV nach MPP

  • Buck-Boost-converter kann beides

• Verhältnis zwischen Breite der Absoberfläche und Reihenabstand

• f = b/d

• Verhältnis von MPP-Leistung und maximaler Leistung

• FF= Pmpp/(Voc*Isc)

• “Rechteckigkeit” der IV-curve