Photovoltaik: Grundlagen Und Anwendungen

ISBN-13: 9783642793356 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 385 str.

Hans-Joachim Lewerenz; H. Jungblut

Opis

Photovoltaik wendet sich an Studenten aus Physik, Chemie, Elektrotechnik, Umwelttechnik u.a. nach dem Vordiplom. Die Autoren, beide anerkannte Experten auf dem Gebiet der Photovoltaik, legen in ihrem Buch besonderen Wert auf die Behandlung grundlegender Konzepte photovoltaischer Energieumwandlung. Sie fuhren den Leser umfassend und auerst anschaulich in die Halbleiterphysik der Solarzellen ein und geben eine Ubersicht uber die wichtigsten Solarzellenstrukturen. Selbstverstandlich werden auch alle modernen Aspekte und Anwendungen der Photovoltaik erlautert. Die zahlreichen Ubungen mit Losungen am Ende jedes Kapitels vertiefen das Verstandnis fur den behandelten Stoff.

Spis treści

1 Einführung in die Energiethematik.- 1.1 Forschungsaspekte.- 1.2 Wirtschaftliche Betrachtungen.- 2 Physik der Solarzelle.- 2.1 Einführung in energieumwandelnde Prozesse an Halbleiterkontakten.- 2.1.1 Vorbetrachtungen.- 2.1.2 Zum Prinzip lichtinduzierter energieumwandelnder Prozesse.- 2.1.3 Überblick zu lichtinduzierten energieumwandelnden Prozessen.- 2.2 Grundzüge der angewandten Halbleiterphysik.- 2.2.1 Vorbetrachtungen: Vom Atom zum Festkörper.- 2.2.2 Der nicht entartete Halbleiter.- 2.2.3 Der dotierte Halbleiter.- 2.2.4 Einfluß der Dotierung auf Ferminiveau und effektive Ladungsträgerkonzentration.- 2.2.5 Absorptionsverhalten; Anregungsprozesse.- 2.3 Der belichtete Halbleiter.- 2.3.1 Thermalisierung.- 2.3.2 *Rekombinationsprozesse im Volumen.- 2.3.3 Rekombination an Oberflächen.- 2.3.4 Überschußladungsträger und Quasiferminiveaus.- 2.4 Gleichrichtende Kontakte.- 2.4.1 Gleichgewichtseinstellung zwischen Systemen mit geladenen Teilchen.- 2.4.2 Kontaktpotentiale und Raumladungszonen.- 2.4.3 Der ideale Metall-Halbleiter-Kontakt.- 2.4.4 Das Anderson-Modell einer Halbleiter-Heterostruktur.- 2.5 Photovoltaische Eigenschaften gleichrichtender Kontakte.- 2.5.1 Stromfluß an einer unbelichteten Diode.- 2.5.2 Einfaches Modell für die belichtete Diode.- 2.5.3 Das Gärtner-Modell.- 2.5.4 Anwendungen des Gärtner-Modells.- 2.6 Sonnenspektrum und Auswahlkriterien für Solarzellen.- 2.6.1 Spektrale Eigenschaften des Sonnenlichts.- 2.6.2 Optimierungsbedingungen für den Wirkungsgrad photovoltaischer Systeme.- 2.7 *Jenseits des Anderson-Modells.- 2.7.1 Übersicht.- 2.7.2 Fermi-level pinning.- 2.7.3 Grenzflächendipole und Banddiskontinuitäten.- 2.8 Probleme.- Literatur.- 3 Solarzellen auf Silizium-Basis.- 3.1 Die klassische Silizium-Solarzelle.- 3.1.1 Historisches.- 3.1.2 Das physikalische Konzept der kristallinen Silizium p-n-Solarzelle.- 3.1.3 Von Sand zu Silizium: Herstellung von Einkristallen.- 3.1.4 Verunreinigungen und Dotierung.- 3.1.5 Herstellung von p-n-Übergängen und Optimierung der Solarzellen.- 3.1.6 Hochleistungssolarzellen mit kristallinem Si.- 3.2 Polykristallines Silizium.- 3.2.1 Übersicht.- 3.2.2 Blockgießen mit gerichteter Erstarrung.- 3.2.3 Verfahren zur Herstellung von Siliziumscheiben aus der Schmelze.- 3.2.4 Einfluß von Korngrenzen auf Ladungsträgertransport und Absorption.- 3.2.5 Passivierung von Kristallfehlern in polykristallinem Silizium.- 3.2.6 *Modellbetrachtungen zum Bänderziehverfahren.- 3.3 Schottky-, MIS und SIS-Solarzellen.- 3.4 Probleme.- Literatur.- 4 Dünnschichtsolarzellen.- 4.1 Einleitung.- 4.2 Stöchiometrie und elektronische Eigenschaften in Verbindungshalbleitern.- 4.3 Cadmium-Tellurid-Solarzellen.- 4.3.1 Historisches.- 4.3.2 Physikalische Eigenschaften der CdS/CdTe-Heterostruktur.- 4.3.3 Herstellungsverfahren für CdS/CdTe-Solarzellen.- 4.4 Ternäre Chalkopyrite (CuInSe2 und CuInS2).- 4.4.1 Vorbetrachtungen.- 4.4.2 Historisches.- 4.4.3 Die n-CdS/p-CuInSe2-Heterostruktur; physikalische Eigenschaften.- 4.4.4 Herstellungsverfahren für Dünnschi cht Solarzellen mit CuInSe2 und erste Leistungsdaten.- 4.4.5 Präparation und Eigenschaften effizienter Dünnschi cht Solarzellen auf CuInSe2-Basis — reale Systeme.- 4.4.6 Effiziente Dünnschichtsolarzellen mit CuInS2.- 4.5 Die Galliumarsenid-Solarzelle.- 4.5.1 Einleitung.- 4.5.2 Physikalische Eigenschaften von GaAs und Konzept der AlGaAs/GaAs-Solarzelle.- 4.5.3 Herstellungsverfahren.- 4.6 Amorphes Silizium.- 4.6.1 Übersicht.- 4.6.2 Herstellung von a-Si:H Schichten.- 4.6.3 Physikalische Eigenschaften.- 4.6.4 Elektronische Eigenschaften.- 4.6.5 Rekombinationsprozesse.- 4.7 Solarzellen mit amorphem Silizium.- 4.7.1 Historisches.- 4.7.2 Die Dotierung von a-Si:H.- 4.7.3 p-i-n-Struktur für Solarzellen.- 4.7.4 Bedingungen für leistungsfähige p-i-n-Solarzellen.- 4.7.5 Verbesserungen bei der Herstellung von p-i-n-Strukturen.- 4.7.6 Technische Realisation von a-Si:H p-i-n-Solarzellen.- 4.7.7 Entwicklung effizienter Systeme auf der Basis der p-i-n-Struktur.- 4.8 Heterostrukturen aus amorphem und kristallinem Silizium.- 4.9 Probleme.- Literatur.- 5 Photoelektrochemische Solarzellen.- 5.1 Grundlegende Betrachtungen.- 5.1.1 Einleitung und Historisches.- 5.1.2 Kontaktbildung zwischen Halbleiter und Elektrolyt.- 5.1.3 Ladungstransfer und Stromfluß.- 5.1.4 Regenerative Arbeitsweise photoelektrochemischer Solarzellen.- 5.1.5 Photokorrosion und Stabilitätskriterien.- 5.2 Fallstudien an ausgewählten Systemen.- 5.2.1 Stabilität mit Übergangsmetalldichalkogeniden als Photoanoden.- 5.2.2 Effiziente Solarzellen durch Oberflächenmodifizierung von III-V Halbleitern.- 5.2.3 Lichtinduzierte Stabilisierung von CuInSe2.- 5.2.4 Sensibilisierungssolarzellen.- 5.2.5 Systeme mit verbessertem Wirkungsgrad.- 5.3 Probleme.- Literatur.- 6 Kombinierte Systeme.- 6.1 Tandem-Solarzellen.- 6.1.1 Grundlegende Betrachtungen.- 6.1.2 Ausgewählte Beispiele.- 6.2 Konzentrator systeme.- 6.2.1 Einleitung.- 6.2.2 Physikalische Effekte bei hoher lichtinduzierter Ladungsträgerkonzentration.- 6.2.3 Solarzellen für Konzentratorsysteme.- 6.2.4 Optische Systeme und Nachführung.- 6.3 Probleme.- Literatur.- 7 Perspektiven der Photovoltaik.- 7.1 Photovoltaik im materialwissenschaftlichen Umfeld.- 7.2 Neuartige Verbindungshalbleiter.- 7.2.1 Substitutionelle Verbindungen.- 7.2.2 Interstitielle Verbindungen.- 7.2.3 Geordnete Leer Stellenverbindungen.- 7.2.4 Verbindungen mit d- bzw. f-Elektronen.- 7.2.5 Schichtgitterhalbleiter mit Gruppe IVB-Metallen.- 7.2.6 Legierungen neuer Materialien.- 7.3 Materialien mit reduzierter Dimensionalität.- 7.3.1 Photovoltaische Bauteile mit Halbleiterübergittern.- 7.3.2 Nanokristalline Halbleiter und kolloidale Teilchen.- 7.4 Alternative Materialien und Herstellungsverfahren.- 7.4.1 Organische Solarzellen.- 7.4.2 Alternative amorphe Halbleiter.- 7.4.3 Alternative Herstellungsverfahren.- 7.5 Probleme.- Literatur.- 8 Lösungen.- Anhang: Bandlücken und Gitterkonstanten einiger Halbleiter.

Blurb

Photovoltaik. Grundlagen und Anwendungen bietet eine umfassende Einführung in die halbleiterphysikalischen Grundlagen der Photovoltaik und beschreibt ihre Anwendungen bishin zu modernsten Ansätzen. Angesichts begrenzter Energiereserven und zunehmender Umweltprobleme gewinnt der mögliche Einsatz photovoltaischer Solarzellen immer mehr an Bedeutung. Preis, Lebensdauer und Wirkungsgrad der Solarzellen entscheiden darüber, ob die Photovoltaik in Zukunft einen nennenswerten Beitrag zur Energieversorung leisten wird. Mit diesem umfassenden und aktuellen Werk erhalten Studenten der Physik, Elektrotechnik und Umweltschutztechnik ebenso wie Praktiker einen raschen und gründlichen Überblick über dieses Gebiet.