03 04 Photovoltaik

Anschlussdose - Modulrückseite - Zellverkapselung - Glas - Rahmen

• Elektrische Leitfähigkeit eines Materials setzt freie Ladungsträger voraus

• Freie Ladungsträger sind Elektronen, die nicht an Atome gebunden sind

• In elektrischen Leitern (z. B. Metallen) sind Elektronen frei beweglich

• In Halbleitern können Elektronen durch die Wechselwirkung mit Licht frei beweglich werden

Die Energiezustände von Elektronen sind auf diskrete Energieniveaus (Bänder) beschränkt:

• Im Valenzband sind Elektronen nicht frei beweglich

• Im Leitungsband können sich Elektronen frei bewegen

• Energieniveaus zwischen den Bändern können Elektronen nicht einnehmen (Verbotene Zonen)

• Photonen mit einer Energie, die größer ist als der Bandabstand erzeugen genau ein Elektron-Loch-Paar; die überschüssige Energie wird als Wärme an das Kristallgitter des Halbleiters abgegeben

• Photonen mit einer Energie, die kleiner ist als der Bandabstand erzeugen keine Elektron-Loch-Paare

• Rayleigh-Streuung

  (Streuung an Molekülen, die kleiner als die Licht-Wellenlänge sind)

  • Durch Wellenlängenabhängigkeit wird blaues Licht stärker gestreut als rotes, darum erscheint der Himmel mittags blau und abends rot

• Mie-Streuung

  (Streuung an Molekülen, die größer als die Licht-Wellenlänge sind)

• Gasabsorption

  Gase und Wasserdampf in der Atmosphäre werden durch verschiedene Wellenlängen des gerichteten Sonnenlichts angeregt und emittieren anschließend das absorbierte Sonnenlicht in eine zufällige Richtung)

  • Einzelne Gase absorbieren unterschiedliche Wellenlängenbänder, sind für eindeutige Linien im Spektrum verantwortlich

• Der Air-Mass-Faktor 𝐴𝑀 gibt die Weglänge der Sonnen-strahlen durch die Atmosphäre in Abhängigkeit des Sonnenhöhenwinkels an

• Mit dem 𝐴𝑀 erhöht sich die Absorptionsrate, da mehr Luft gestreut und absorbiert werden kann

• Photostrom 𝑰𝒑𝒉

  beschreibt die durch optische Anregung generierten Ladungsträger und ist proportional zur Einstrahlung

• Diffusionsstrom 𝑰𝒅 und Rekombinationsstrom 𝑰𝒓

  vermindern den Photostrom um die Ladungsträger, die aufgrund von Rekombination und Diffusion nicht an die Oberfläche der Solarzelle gelangen (steigen bei höherer Temperatur)

• Reihenwiderstand 𝑹𝑺

  umfasst den Widerstand des Halbleitermaterials, die Widerstände der Metallkontaktierung auf Vorder- und Rückseite der Solarzelle und die Kontaktwiderstände zwischen Halbleiter und Metallkontakten

• Parallelwiderstand 𝑹𝑷

  beschreibt Leckströme, die am p-n-Übergang oder an den Kanten der Solarzelle durch Kristalldefekte fließen

• Strom-Spannungs-Kennlinie:

  Beschreibt alle möglichen Wertepaare für Strom und Spannung, die bei einer bestimmten Einstrahlung und Temperatur gemessen werden können

• Kurzschlussstrom 𝐼𝑘:

  Strom, der sich ohne elektrischen Verbraucher einstellt

• Leerlaufspannung 𝑈0:

  Spannung, die sich an den offenen Klemmen einstellt (handelsübliche kristalline Solarzellen: etwa 0,6 V)

Der Punkt mit der maximal abrufbaren elektrischen Leistung

• Reihe:

  • Alle Solarzellen führen denselben Strom

  • Spannung ergibt sich aus der Summe der Einzelspannungen

• Parallel:

  • Über allen Solarzellen fällt dieselbe Spannung ab

  • die Summe der Ströme der einzelnen Solarzellen ergibt den Gesamtstrom

• Bezeichnet den Quotienten aus maximaler Leistung am MPP und dem Produkt aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom

• kristalline Solarzellen: 0,75 – 0,85

• amorphe Solarzellen: 0,5 – 0,7

• 2024:

  687 GWp Monokristallines Silicium

  > 16 GWp Dünnfilm

  > 0 GWp Polykristallines Silicium

• Dünnfilm:

  CdTe > CI(G)S > amorphes Silicium

• Mono:

  • regelmäßige Kristallanordnung

  • 21-24% Wirkungsgrad

• Poly:

  • ungleiche Kristallanordnung

  • 16-20% Wirkungsgrad

• beide teuer + energetisch aufwändig in Herstellung

-> Bei der Multijunction Zelle werden zwei oder mehr Solarzellen aus verschiedenen Materialien übereinander geschichtet.

Die Zellen absorbieren unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Lichts, sodass in Summe ein größerer Wellenlängenbereich ausgenutzt werden kann als bei nur einem Material.

• Die oberste Schicht absorbiert Licht mit kurzer Wellenlänge (hoher Energie) und lässt langwelliges Licht durch

• Die zweite Solarzelle darunter absorbiert einen Teil des Spektrums bis zu einer Grenzwellenlänge

• Materialien:

  Galliumindiumphosphid (InGaP)

  Galliumindiumarsenid (InGaAs)

  Germanium (Ge)

• Anwendung: Energieversorgung von Satelliten und Concentrator PV

• Wirkungsgrade von 47 %

• halbleitenden Materialien aus Kohlenwasserstoffen

• Wirkungsgrad ≈ 18 %

• Schichten 1000-mal dünner als bei Silicium-Solarzellen

• günstig, leicht, flexibel, unzerbrechlich, ökologischer Fußabdruck klein

• Prozess, der eine Leistungsminderung bei Solarmodulen zur Folge hat und im Verlauf der Zeit auftritt

• ca 0,5 % Leistungsverlust pro Jahr

• Lichtinduzierte Degradation (LID)

  Potentialinduzierte Degradation (PID)

  Altersbedingte Degradation