Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung

Neben anderen regenerativen Energiequellen wie Wasser, Wind, Solarthermik und Biomasse bietet auch die Photovoltaik die Chance, einen Anteil für die Energieversorgung der Zukunft beizusteuern. Dafür sind mit staatlicher Förderung Oährlich ca. 180 Mio. DM aus Bundesmitteln) einige Pilotkraftwerke entstanden, ebenso sind im Tausend-Dächer­ Programm zahlreiche netzgekoppelte Generatoren auf Privathäusern erstellt worden. Es steht jedoch außer Frage, daß noch viel Forschungs-und Entwicklungsarbeit, aber vor allem Überzeugungsarbeit, geleistet werden muß, bis die ersten Verbrennungsaggregate durch Photovoltaik-Kraftwerke abgelöst werden. Ziel dieses Lehrbuches ist es, Studenten im Hauptstudium der Physik und Elektrotechnik sowie Ingenieure mit Bauelement-Erfahrungen an das interessante Arbeitsgebiet der Photovoltaik heranzuführen und ihnen sichere halbleitertechnische Kenntnisse für den Entwurf, die Herstellung und den Umgang mit dem Bauelement Solarzelle zu vermitteln. Dabei werden Grundkenntnisse der Halbleiterphysik vorausgesetzt, wie sie Studenten im Grundstudium der Elektrotechnik vermittelt werden. Der Inhalt wurde als Vorlesung am Fachbereich Elektrotechnik der Technischen Universität Berlin erarbeitet. Die begeisterte Mitarbeit der Studierenden hat die Autoren sehr zu dieser Niederschrift in Buchform ermutigt. Herrn Dip!.-Ing. D. Lin danken wir für seine engagierte Mitarbeit und für zahlreiche Anregungen, ebenso den studentischen Mitarbeitern, allen voran Herrn M. Roche!.

1. Geschichtliche Entwicklung der Photovoltaik in Stichworten.- 2. Die Solarstrahlung als Energiequelle der Photovoltaik.- 2.1. Strahlungsquelle Sonne und Strahlungsempfänger Erde.- 2.2. Die Sonne als Schwarzer Strahler.- 2.3. Leistung und spektrale Verteilung der terrestrischen Solarstrahlung.- 3. Halbleitermaterial für die photovoltaische Energiewandlung.- 3.1. Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Festkörper.- 3.2. Photovoltaischer Grenzwirkungsgrad.- 3.3. Beschreibung der Ladungsträgergeneration durch Absorption von Strahlung.- 3.4. Grundlagen der Halbleitertechnik für Solarzellen.- 3.5. Überschußladungsträgerprofil in homogenem Halbleitermaterial.- 3.6. Strategien zur Trennung der generierten Überschußladungsträger.- 3.7. Reflexionsverluste.- 4. Grundlagen für Solarzellen aus kristallinem Halbleitermaterial.- 4.1. Die Halbleiter-Diode als Solarzelle.- 4.2. Grundmodell einer kristallinen Solarzelle.- 4.3. Bestrahlung mit einem Standardspektrum.- 4.4. Technische Solarzellen-Parameter.- 4.5. Das Ersatzschaltbild einer kristallinen Solarzelle.- 5. Monokristalline Silizium-Solarzellen.- 5.1. Diskussion der spektralen Empfindlichkeit.- 5.2. Temperaturverhalten der Generatoreigenschaften.- 5.3. Parameter einer optimierten c-Si-Solarzelle.- 5.4. Kristallzüchtung.- 5.5. Präparation.- 5.6. Hochleistungs-Solarzellen.- 6. Polykristalline Silizium-Solarzellen.- 6.1. Vergleich der Herstellungsverfahren.- 6.2. Kokillenguß-Verfahren für polykristalline Silizium-Blöcke.- 6.3. Modell der Korngrenze im polykristallinem Silizium.- 6.4. Bewertung von spektraler Empfindlichkeit und Photostromdichte.- 6.5. Präparation.- 7. Galliumarsenid-Solarzellen.- 7.1. Vergleich der Solarzellenmaterialien Silizium und Galliumarsenid.- 7.2. Konzept der GaAs-Solarzelle mitAlGaAs-Fensterschicht.- 7.3. Modellrechnung zur AIGaAs/GaAs-Solarzelle.- 7.4. Kristallzüchtung.- 7.5. Flüssigphasen-Epitaxie für GaAs-Solarzellen.- 7.6. Präparation.- 8. Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium.- 8.1. Eigenschaften des amorphen Siliziums.- 8.2. Dotieren des amorphen Siliziums.- 8.3. Physikalisches Modell der a-Si:H-Solarzelle.- 8.4. Präparation.- 8.5. Verringerung der Degradationseffekte.- 8.6. Herstellung von a-Si:H-Solarzellen.- 9. Alternative Solarzellen-Konzepte.- 9.1. MIS-Solarzelle aus kristallinem Silizium.- 9.2. Solarzellen aus Kupferindiumdiselenid (CulnSe2).- 9.3. a-Si:H/c-Si-Solarzellen.- 9.4. Kugelelement-Solarzelle.- 9.5. Elektrochemische Solarzellen.- 10. Ausblick.- A. Anhang.- A.1. Lösung des Integrals zur Berechnung des Grenzwirkungsgrades.- A.2. Lösung der Diffusionsgleichung.- A.3. Das Standardspektrum AM1.5global.- Literatur.- Stichwortverzeichnis.