Photovoltaik Physik und Technologie der Solarzellen - IPHT Jena

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- 17 - 2. Anregung: Die Anregungsenergie durch das einzelne Photon des Sonnenlichtes liegt in der Größenordnung von eV. Bei den kommerziell erhältlichen Solarzellen erfolgt die Anregung in einem einzelnen Absorptionsschritt. Daher bewirkt die Absorption eines Photons eine elektronische Anregung und nicht etwa Schwingungsanregungen. Ein Photon bringt ein Elektron aus seinem Grundzustand in einen angeregten Zustand. 3. Beweglichkeit: Die Beweglichkeit der angeregten Ladungsträger muss ausreichend hoch sein. Die Anregung sollte also nicht in einen lokalisierten Zustand erfolgen. 4. Lebensdauer: Damit die Ladungstrennung (Punkt 5) effektiv erfolgen kann, muss der angeregte Zustand eine ausreichend große Lebensdauer haben. Metalle kommen daher als absorbierendes Material nicht in Frage. Hier würde das angeregte Elektron schon innerhalb von ps wieder in den Grundzustand relaxieren. Die Forderungen 1 bis 4 lassen weder Metalle noch typische transparente Isolatoren zu. Übrig bleiben anorganische Halbleiter oder eventuell halbleitende organische Farbstoffe oder Polymere. Durch die Anregung werden Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband gebracht. Im Valenzband bleibt ein Loch zurück. Die Lebensdauer des Elektron-Loch-Paares und die Beweglichkeit sind wesentliche begrenzende Faktoren für den Wirkungsgrad der Solarzelle. Erwünscht sind eine große Lebensdauer und eine hohe Beweglichkeit. 5. Ladungstrennung: Die Solarzelle muss irgend eine Inhomogenität enthalten, die dazu führt, dass sich die durch die Anregung erzeugten Elektronen im Leitungsband und Löcher im Valenzband räumlich trennen. Solche Vorrichtungen nennt man in der chemischen Thermodynamik semipermeable Membranen. Sie lassen bestimmte Spezies durchtreten, andere nicht. In diesem Fall sind die Spezies Elektronen und Löcher. Die Ladungstrennung wird in Halbleitern entweder durch den Einbau eines p-n-Übergangs realisiert, oder dadurch, dass man einen Heteroübergang zwischen zwei verschiedenen Halbleitern herstellt. In beiden Fällen entsteht ein Gradient des elektrochemischen Potentials (ein sogenanntes „inneres Feld“), der für Elektronen und Löcher verschieden ist und der die Ladungsträger trennt. 6. Elektroden: Damit die getrennten Ladungsträger nach außen abgeführt werden können, muss die Solarzelle auf beiden Seiten mit Elektroden versehen sein. Hier ergibt sich das Problem, dass gut leitende Metallelektroden undurchsichtig sind. Auf der Seite, von der die Solarzelle bestrahlt wird, muss man im Fall einer Metallisierung diese fingerförmig ausführen und hoffen, dass das ausreicht, oder man muss eine transparente Elektrode aufbringen. Dazu eignen sich leitfähige Oxide (TCO, transparent conductive oxide), z.B. Zink- oder Zinnoxid (ITO, indium tin oxide). Ihre Leitfähigkeit ist aber nicht ideal. Oft werden daher beide Methoden kombiniert und auf eine durchgehende TCO-Schicht Metallfinger aufgebracht, die zwar eine gewisse Abschattung verursachen, dafür aber die Verluste durch den elektrischen Serienwiderstand klein halten. Die konkrete Ausführung ist ein Optimierungsproblem. Als Wirkungsgrad einer Solarzelle bezeichnet man das Verhältnis von abgegebener elektrischer Leistung zur eingestrahlten Leistung des Lichtes. Die abgegebene elektrische Leistung hängt vom Belastungswiderstand ab. Er wird für die Bestimmung des Wirkungsgrades so gewählt, dass die abgegebene Leistung maximal ist (Arbeitspunkt der Solarzelle, s. Abschnitt 3.5). Da der Wirkungsgrad von der Lichtintensität und vom Spektrum abhängt, wird zur Messung des Wirkungsgrades ein Sonnensimulator eingesetzt, der ein Spektrum wie das der Sonnenstrahlung auf Meereshöhe liefert. Man sich auf AM1.5 mit 1 kW/m 2 geeinigt. Der Wirkungsgrad hängt auch von der Temperatur ab. Als Referenz gilt 25°C. Typisch ist, dass reale Solarzellen lateral inhomogen sind. Für den Wirkungsgrad spielt daher auch die Fläche 3 Grundlagen der Photovoltaik F. Falk, Photovoltaik WS 2010/11
- 18 - der Solarzelle eine Rolle. In Laborzellen mit 1 cm 2 oder kleiner werden oft deutlich höhere Wirkungsgrade erzielt als auf technisch relevanten Flächen von mehreren 100 cm 2 bis 1,5 m 2 . Man unterscheidet zwischen dem Wirkungsgrad der eigentliche Zelle und dem eines Moduls, der mehrere Zellen und deren Verschaltung umfasst. Eine weitere Größe zur Charakterisierung einer Solarzelle ist die Quantenausbeute in Abhängigkeit von der Photonenenergie oder der Wellenlänge. Sie gibt an, wie viele Elektronen die Solarzelle pro eingestrahltes Photon an die Elektroden abgibt, und ist in herkömmlichen Zellen stets
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