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
- 1. Einleitung und Aufgabenstellung
- 2. Grundlagen zur Solarzelle
- 2.1 Aufbau und Wirkungsweise von Solarzellen
- 2.2 Arten von Solarzellen
- 2.3 Begründung für eine n*p-Schichtfolge bei Solarzellen
- 3. Modellrechnung einer n†p -Silizium-Solarzelle
- 3.1 Nettostörstellenverteilung, Sperrschichtgrenzen und Spannungen
- 3.2 Berechnung der Dunkelkennlinie
- 3.3 Berechnung der Hellkennlinie
- 3.4 Berechnung der Sperrschicht- und Diffusionskapazität
- 3.5 Variation der vorgegebenen Parameter
- 4. Messungen an Bauelementen
- 4.1 Solarzelle
- 4.1.1 Messung der Dunkelkennlinie
- 4.1.2 Messung der Hellkennlinie
- 4.1.3 Dynamische Parameter
- 4.2 Fotoelement
- 4.2.1 Messung der Dunkelkennlinie
- 4.2.2 Messung der Hellkennlinie
- 4.2.3 Dynamische Parameter
- 4.1 Solarzelle
- 5. SPICE-Modell der Solarzelle
- 5.1 Erstellen des SPICE-Modells aus den Ergebnissen der Modellrechnung
- 5.1.1 Simulation der Dunkelkennlinie
- 5.1.2 Simulation der Hellkennlinie
- 5.1.3 Simulation des Schaltverhaltens
- 5.2 Erstellen des SPICE-Modells aus den Meßergebnissen
- 5.2.1 Simulation der Dunkelkennlinie
- 5.2.2 Simulation der Hellkennlinie
- 5.2.3 Simulation des Schaltverhaltens
- 5.3 Vergleich der erhaltenen Modelle
- 5.1 Erstellen des SPICE-Modells aus den Ergebnissen der Modellrechnung
- 6. Aufgaben und Anwendungen mit Solarzellen
- 6.1 Licht- Frequenz- Wandler
- 6.2 Aufgabenstellungen für einen Praktikum- Laborversuch
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen technologischen Halbleiterparametern und den elektrischen Kenngrößen von Silizium-Solarzellen. Ziel ist es, Sättigungsströme, Wirkungsgrade, Füllfaktor und Kapazitäten zu berechnen, ein SPICE-Modell zu erstellen und Simulationsergebnisse mit Messdaten zu vergleichen. Der Einfluss von Antireflexschichten wird ebenfalls betrachtet.
- Berechnung elektrischer Kenngrößen von Silizium-Solarzellen
- Erstellung eines SPICE-Modells
- Vergleich von Simulations- und Messergebnissen
- Analyse des Einflusses von Antireflexschichten
- Ableitung von Praktikumsaufgaben
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung und Aufgabenstellung: Dieses Kapitel definiert die Forschungsfrage: die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen technologischen Parametern von Halbleitern und den elektrischen Eigenschaften von n*p- und p*n-Silizium-Strukturen. Es skizziert den methodischen Ansatz, der Modellrechnungen, Messungen an Solarzellen und die Entwicklung eines SPICE-Modells umfasst, um die erhaltenen Daten zu analysieren und zu vergleichen.
2. Grundlagen zur Solarzelle: Dieser Abschnitt liefert die notwendigen Grundlagen zum Verständnis der Funktionsweise von Solarzellen. Es werden Aufbau und Wirkungsweise detailliert erläutert, verschiedene Arten von Solarzellen vorgestellt und die Bevorzugung einer n*p-Schichtfolge begründet. Diese Grundlagen bilden die Basis für die anschließenden Modellrechnungen und Messungen.
3. Modellrechnung einer n†p -Silizium-Solarzelle: Hier werden detaillierte Berechnungen der elektrischen Kenngrößen einer n*p-Silizium-Solarzelle durchgeführt. Berechnet werden die Nettostörstellenverteilung, die Sperrschichtgrenzen und -spannungen, die Dunkel- und Hellkennlinien sowie die Sperrschicht- und Diffusionskapazität. Die Variation der Eingangsparameter und deren Einfluss auf die Ergebnisse werden ebenfalls untersucht.
4. Messungen an Bauelementen: In diesem Kapitel werden die durchgeführten Messungen an monokristallinen und polykristallinen Solarzellen und Fotoelementen beschrieben. Es werden sowohl Dunkel- als auch Hellkennlinien unter verschiedenen Bestrahlungsbedingungen aufgenommen und die dynamischen Parameter ermittelt. Die Messungen liefern die empirischen Daten, die mit den Simulationsergebnissen verglichen werden.
5. SPICE-Modell der Solarzelle: Dieses Kapitel beschreibt die Erstellung und Validierung eines SPICE-Modells der Solarzelle. Das Modell wird sowohl auf Basis der Modellrechnungen als auch der Messergebnisse erstellt und simuliert. Die Ergebnisse der Simulationen (Dunkel- und Hellkennlinien sowie Schaltverhalten) werden anschließend miteinander und mit den gemessenen Daten verglichen, um die Genauigkeit des Modells zu bewerten.
6. Aufgaben und Anwendungen mit Solarzellen: Dieser Abschnitt behandelt Anwendungsbeispiele von Solarzellen, beispielsweise als Licht-Frequenz-Wandler. Es werden außerdem Aufgabenstellungen für einen Praktikum-Laborversuch abgeleitet und ein Musterprotokoll vorgestellt. Dies demonstriert den praktischen Nutzen der gewonnenen Erkenntnisse.
Schlüsselwörter
Silizium-Solarzelle, n*p-Schichtfolge, Halbleiterparameter, elektrische Kenngrößen, Sättigungsstrom, Wirkungsgrad, Füllfaktor, Kapazität, SPICE-Modell, Simulation, Messung, Dunkelkennlinie, Hellkennlinie, Antireflexschicht, Modellrechnung.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zum Dokument: Modellrechnung und Simulation einer Silizium-Solarzelle
Was ist der Gegenstand dieses Dokuments?
Das Dokument befasst sich mit der Modellierung und Simulation einer Silizium-Solarzelle. Es verbindet theoretische Berechnungen mit experimentellen Messungen und der Erstellung eines SPICE-Modells, um die elektrischen Eigenschaften der Solarzelle zu untersuchen und zu verstehen.
Welche Themen werden im Dokument behandelt?
Das Dokument deckt ein breites Spektrum an Themen ab, darunter die Grundlagen der Solarzellentechnologie (Aufbau, Wirkungsweise, verschiedene Arten von Solarzellen), detaillierte Modellrechnungen zur Bestimmung elektrischer Kenngrößen (Dunkel- und Hellkennlinien, Kapazitäten), Messungen an realen Bauelementen (Solarzellen und Fotoelemente), die Erstellung und Validierung eines SPICE-Modells basierend auf sowohl Modellrechnungen als auch Messdaten, sowie Anwendungsbeispiele und die Entwicklung von Praktikumsaufgaben.
Welche Berechnungen werden durchgeführt?
Die Modellrechnung beinhaltet die Berechnung der Nettostörstellenverteilung, der Sperrschichtgrenzen und -spannungen, der Dunkel- und Hellkennlinien sowie der Sperrschicht- und Diffusionskapazität einer n*p-Silizium-Solarzelle. Der Einfluss der Variation verschiedener Parameter auf die Ergebnisse wird ebenfalls untersucht.
Welche Messungen werden durchgeführt?
Es werden Messungen an monokristallinen und polykristallinen Solarzellen und Fotoelementen durchgeführt. Dies umfasst die Aufnahme von Dunkel- und Hellkennlinien unter verschiedenen Bestrahlungsbedingungen sowie die Bestimmung dynamischer Parameter.
Wie wird das SPICE-Modell erstellt und validiert?
Das SPICE-Modell wird sowohl auf Basis der Modellrechnungen als auch der Messergebnisse erstellt und anschließend simuliert. Die Simulationsergebnisse (Dunkel- und Hellkennlinien sowie Schaltverhalten) werden mit den gemessenen Daten verglichen, um die Genauigkeit des Modells zu bewerten.
Welche Schlüsselwörter beschreiben den Inhalt des Dokuments?
Schlüsselwörter umfassen: Silizium-Solarzelle, n*p-Schichtfolge, Halbleiterparameter, elektrische Kenngrößen, Sättigungsstrom, Wirkungsgrad, Füllfaktor, Kapazität, SPICE-Modell, Simulation, Messung, Dunkelkennlinie, Hellkennlinie, Antireflexschicht, Modellrechnung.
Welche Ziele werden mit diesem Dokument verfolgt?
Das Hauptziel ist die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen technologischen Halbleiterparametern und den elektrischen Kenngrößen von Silizium-Solarzellen. Weitere Ziele sind die Berechnung wichtiger Parameter, die Erstellung eines funktionierenden SPICE-Modells und der Vergleich von Simulations- und Messergebnissen. Die Arbeit dient auch der Ableitung von Praktikumsaufgaben.
Für wen ist dieses Dokument gedacht?
Das Dokument richtet sich an Studenten, Wissenschaftler und Ingenieure, die sich mit der Modellierung und Simulation von Solarzellen befassen. Es ist insbesondere für Studierende im Rahmen von Praktika oder Studienarbeiten relevant.
Wie ist das Dokument aufgebaut?
Das Dokument ist in mehrere Kapitel gegliedert, beginnend mit einer Einleitung und Aufgabenstellung, gefolgt von Grundlagen zur Solarzelle, Modellrechnungen, Messungen, der Erstellung des SPICE-Modells und schließlich Anwendungsbeispielen und Praktikumsaufgaben. Ein Inhaltsverzeichnis, eine Zusammenfassung der Kapitel und eine Liste der Schlüsselwörter erleichtern die Navigation.
Wo finde ich die detaillierten Ergebnisse der Berechnungen und Messungen?
Die detaillierten Ergebnisse der Berechnungen und Messungen sind im Dokument selbst enthalten, insbesondere in den Kapiteln 3 (Modellrechnung) und 4 (Messungen an Bauelementen).
- Quote paper
- Dipl.-Ing. (FH) Holger Singer (Author), 1998, Messung und Berechnung von Silizium-Solarzellen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/4586
