Das Anwendungsgebiet der Photovoltaik ist bereits sehr breit. Es reicht von kleinen Leistungen in der Konsumgüterelektronik bis zu Photovoltaikkraftwerken im Megawatt - Bereich. Einziger Nachteil, der einer vollständigen Markteinführung im Wege steht, ist die relativ teure Herstellung der Solarzellen. Dies hat zur Folge, daß die Stromentstehungskosten hoch sind. Sie liegen um ein Vielfaches über den bei der konventionellen Energieerzeugung anfallenden Kosten. Dabei bleibt unberücksichtigt, was es kosten würde, die entstandenen Umweltschäden zu reparieren. Eine weitere Sensibilisierung der Bevölkerung für diese Thematik wäre wünschenswert.
Für spezielle Anwendungsfälle, insbesondere bei der Stromversorgung von Kleinstgeräten (Taschenrechner, Uhr) und von nicht an das Versorgungsnetz angeschlossenen Gebäuden, ist die Photovoltaik den herkömmlichen Energieversorgungssystemen wirtschaftlich ebenbürtig bzw. sogar überlegen.
Thema dieser Diplomarbeit sind nun aber keine ökonomischen oder umweltpolitischen Betrachtungen, sondern halbleitertechnische Probleme. Unter anderem soll hier die Wahl der Sperrschichtfolge für Solarzellen untersucht werden, d. h. warum eine n p + -Schichtfolge der p n + -Schichtfolge vorgezogen wird. Weiterhin sollen anhand einer Modellrechnung einige Halbleiterparameter der n p + -Solarzelle ermittelt werden. Eine gezielte Variation der Ausgangsgrößen soll die Einflüsse auf die errechneten Halbleiterparameter verdeutlichen. In Verbindung mit Messungen an ausgewählten Bauelementen (Solarzelle, Fotoelement) soll diese Modellrechnung zu einem funktionsfähigen SPICE - Modell einer Solarzelle führen, mit dem möglichst realistisch das Verhalten der Solarzelle für ausgewählte Anwendungsfälle am PC dargestellt werden kann. Weiterführend sollen die Ergebnisse der Modellrechnung als Grundlage zur Herstellung einer Solarzellenstruktur im „Business and Innovation Center“ in Stenn Verwendung finden. Inwiefern die technischen und finanziellen Möglichkeiten dafür geschaffen werden, konnte bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht endgültig geklärt werden. Am Schluß wird noch eine Aufgabenstellung für ein Praktikum im Fach Photovoltaik angegeben und ein aufgebauter Licht- Frequenz- Wandler beschrieben.
Inhaltsverzeichnis
- Kurzzeichenverzeichnis
- Einleitung und Aufgabenstellung
- Grundlagen zur Solarzelle
- Aufbau und Wirkungsweise von Solarzellen
- Arten von Solarzellen
- Beglündung für eine n*p-Schichtfolge bei Solarzellen
- Modellrechnung einer n*p -Silizium-Solarzelle
- Nettostörstellenverteilung, Sperrschichtgrenzen und Spannungen
- Berechnung der Dunkelkennlinie
- Berechnung der Hellkennlinie
- Berechnung der Sperrschicht- und Diffusionskapazität
- Variation der vorgegebenen Parameter
- Messungen an Bauelementen
- Solarzelle
- Messung der Dunkelkennlinie
- Messung der Hellkennlinie
- Dynamische Parameter
- Fotoelement
- Messung der Dunkelkennlinie
- Messung der Hellkennlinie
- Dynamische Parameter
- Solarzelle
- SPICE-Modell der Solarzelle
- Erstellen des SPICE-Modells aus den Ergebnissen der Modellrechnung
- Simulation der Dunkelkennlinie
- Simulation der Hellkennlinie
- Simulation des Schaltverhaltens
- Erstellen des SPICE-Modells aus den Meßergebnissen
- Simulation der Dunkelkennlinie
- Simulation der Hellkennlinie
- Simulation des Schaltverhaltens
- Vergleich der Modelle
- Erstellen des SPICE-Modells aus den Ergebnissen der Modellrechnung
- Aufgaben und Anwendungen mit Solarzellen
- Licht- Frequenz- Wandler
- Aufgabenstellungen für einen Praktikum- Laborversuch
- Zusammenfassung
- Literaturverzeichnis
- Anlagen
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Untersuchung des Zusammenhangs zwischen technologischen Halbleiterparametern und elektrischen Kenngrößen von p- und n-Silizium-Strukturen in Solarzellen. Ziel ist es, anhand einer Modellrechnung und Messungen an realen Bauelementen ein funktionsfähiges SPICE-Modell einer Solarzelle zu erstellen, mit dem das Verhalten der Solarzelle für ausgewählte Anwendungsfälle am PC simuliert werden kann.
- Wahl der Sperrschichtfolge (n*p vs. p*n)
- Ermittlung von Halbleiterparametern (Sättigungsstrom, Rekombinationssättigungsstrom, Sperrschichtkapazität, Diffusionskapazität)
- Simulation der Dunkel- und Hellkennlinie
- Analyse des Schaltverhaltens
- Entwicklung eines SPICE-Modells
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 2 bietet eine Einführung in den Aufbau und die Wirkungsweise von Solarzellen, wobei die verschiedenen Arten von Solarzellen und die Beglündung für die Verwendung einer n*p-Schichtfolge behandelt werden.
In Kapitel 3 wird eine Modellrechnung für eine kristalline Silizium-Solarzelle durchgeführt, die die wichtigsten Halbleiterparameter, wie Nettostörstellenverteilung, Sperrschichtgrenzen, Spannungen, Dunkel- und Hellkennlinie sowie Sperrschicht- und Diffusionskapazität ermittelt.
Kapitel 4 beschreibt die Messungen an einer polykristallinen Silizium-Solarzelle und einem Fotoelement, die zur Veranschaulichung der ähnlichen Funktionsweise eines Photoelements im Bezug auf eine Solarzelle dienen.
Kapitel 5 befasst sich mit der Erstellung von SPICE-Modellen der Solarzelle, sowohl aus den Ergebnissen der Modellrechnung als auch aus den Meßergebnissen.
Kapitel 6 formuliert Aufgabenstellungen für einen Praktikum-Laborversuch und beschreibt den Aufbau eines Licht-Frequenz-Wandlers als Anwendungsgebiet einer Solarzelle.
Schlüsselwörter
Die Schlüsselwörter und Schwerpunktthemen des Textes umfassen Solarzellen, Halbleiterparameter, SPICE-Modellierung, Dunkelkennlinie, Hellkennlinie, Sperrschichtkapazität, Diffusionskapazität, Schaltverhalten, Licht-Frequenz-Wandler, Photovoltaik, Silizium, n*p-Schichtfolge, Modellrechnung, Messungen, Simulation.
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Ing. (FH) Holger Singer (Autor:in), 1998, Messung und Berechnung von Silizium-Solarzellen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/4586
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