Solar Energy Conversion - Cheatsheet

Physikalische Grundlagen der Photovoltaik

Definition:

Grundlagen der Umwandlung von Licht in elektrische Energie mittels Solarzellen und Halbleitermaterialien.

Details:

• Photovoltaischer Effekt: Erzeugung von Spannungsdifferenzen durch Lichtabsorption.
• Halbleitermaterialien: Meistens Silizium (Si).
• p-n-Übergang: Kritische Komponente, wo Elektronen-Loch-Paare gebildet werden.
• Leistungskennlinie: Bestimmt durch Strom-Spannungs-Kurve \[ P_{max} = V_{mp} \times I_{mp} \]
• Effizienz: Verhältnis der elektrischen Leistung zur eingestrahlten Lichtleistung \[ \text{Effizienz} = \frac{P_{out}}{P_{in}} \times 100 \]
• Sonnenkonstanten (AM1.5): Standardisiert auf \[ 1000 \frac{W}{m^2} \]

Energieumwandlungseffizienz in Solarzellen

Definition:

Maß für die Effizienz, mit der eine Solarzelle die einfallende Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt; Schlüsselfaktor für die Leistungsfähigkeit von Solarzellen.

Details:

• Definiert als: \[\text{Energieumwandlungseffizienz} (\text{η}) = \frac{\text{P}_{\text{out}}}{\text{P}_{\text{in}}} \]
• \(\text{P}_{\text{out}}\): erzeugte elektrische Leistung
• \(\text{P}_{\text{in}}\): einfallende Sonnenstrahlungsleistung
• Abhängig von Materialeigenschaften, Bandlückenenergie, optischen und elektrischen Verlustmechanismen.
• Typische Effizienz: \(10\% - 20\%\) für kommerzielle Solarzellen (Siliziumbasis); höhere Effizienzen mit Mehrfachsolarzellen.
• Maximale theoretische Effizienz durch Schockley-Queisser-Grenze beschrieben.

Monokristalline und Polykristalline Silizium-Solarzellen

Definition:

Unterschiedlich geformte Siliziumstrukturen zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie.

Details:

• Monokristallin: besteht aus einem einzigen Siliziumkristall, höherer Wirkungsgrad, teuerer in der Herstellung.
• Wirkungsgrad monokristalline Zellen: 15-20%.
• Polykristallin: setzt sich aus mehreren Siliziumkristallen zusammen, kostengünstiger, niedrigerer Wirkungsgrad.
• Wirkungsgrad polykristalline Zellen: 13-16%.
• Gitterstruktur beeinflusst Elektronentransport und Effizienz.

Perowskit-Solarzellen: Eigenschaften und Vorteile

Definition:

Perowskit-Solarzellen nutzen Materialien mit der Perowskit-Kristallstruktur zur Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie.

Details:

• Hohe Wirkungsgrade möglich: über 25%
• Materialien kostengünstig und einfach herstellbar
• Flexible Anwendungen durch dünne, leichte Zellen
• Herausforderungen: Langzeitstabilität und Umweltverträglichkeit
• Formel zur Berechnung des Wirkungsgrades: \[ \text{Wirkungsgrad} = \frac{\text{P}_{\text{out}}}{\text{P}_{\text{in}}} \times 100\text{\text{\text{ %}}} \]

Photokatalytische Reaktionen und Anwendungen

Definition:

Photokatalytische Reaktionen: Licht induzierte chemische Reaktionen, häufig mit einem Halbleiter als Katalysator. Anwendungen: Umweltfreundliche Prozesse durch Sonnenenergie.

Details:

• Photokatalysatoren: z.B. TiO2, ZnO
• Aktivierung durch UV- oder sichtbares Licht
• Generierung von Elektronen-Loch-Paaren
• Redoxreaktionen: Oxidation organischer Schadstoffe, Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung
• Effizienzsteigerung durch Dotierung oder Sensibilisierung
• Wichtige Parameter: Bandlückenenergie, Oberflächenstruktur

Katalysatoren für die Wasserspaltung: Theorien und aktuelle Herausforderungen

Definition:

Katalysatoren für die effiziente Wasserspaltung, zentrale Bedeutung für die Wasserstoffproduktion. Herausforderungen: Stabilität, Kosten, Effizienz.

Details:

• Wasserspaltung: 2H₂O \rightarrow 2H₂ + O₂
• Herausforderungen:
  • Materialkosten
  • Langzeitstabilität
  • Effizienzsteigerung
  • Verfügbarkeit der Materialien
• Wichtige Theorien:
  • Bindungsenergie-Theorie
  • Sabatiers Prinzip
  • Bandlückentheorie für Halbleiter
• Aktuelle Forschung:
  • Entwicklung neuer Katalysatormaterialien wie nicht-edle Metalle
  • Nanostrukturierung zur Oberflächenvergrößerung
  • Fotoelektrochemische Zellen
  • Computergestützte Designansätze

Materialeigenschaften und Design zur Maximierung der Solarzelleneffizienz

Definition:

Materialeigenschaften und Design sind entscheidend für die Maximierung der Effizienz von Solarzellen.

Details:

• Bandlückenanpassung: Optimale Bandlücke bei etwa 1,1 eV (\text{Si})
• Antireflexbeschichtungen: Reduzierung der Reflektion, um mehr Licht zu absorbieren
• Oberflächenpassivierung: Reduzierung der Oberflächenrekombination
• Texturierung: Vergrößerung der effektiven Oberfläche
• Mehrfach-PN-Übergänge: Erhöhung des Spektralbereichs der Absorption
• Materialien: Einsatz von Si, GaAs, CdTe, CIGS, Perowskiten je nach Anwendungsbereich
• Dünnschichttechnologien: Effizienzsteigerung bei Materialreduktion
• Tandemzellen: Kombination verschiedener Materialien zur Effzienzsteigerung

Optische Eigenschaften und Lichtmanagement in Solarzellen

Definition:

Optische Eigenschaften und Lichtmanagement beeinflussen die Effizienz von Solarzellen durch die Kontrolle von Reflexion, Absorption und Transmission des Lichts.

Details:

• Reflexion: Minimierung durch Antireflexbeschichtungen ( \(R = \frac{{(n_1 - n_2)^2}}{{(n_1 + n_2)^2}} \) )
• Absorption: Verstärkung durch Bandlückenanpassung und Anwendung von Lichtfallenstrukturen ( \(A = 1 - R - T \) )
• Transmission: Optimierung durch Transparente Elektroden und PERC-Technologie.
• Schichtdicke und Texturierung: Einfluss auf Lichtwegverlängerung und Interferenz.
• Lichtstreuung: Einsatz von Nanostrukturen und beschichteten Mikrostrukturen zur Verbesserung der Absorption.
• Spektrale Anpassung: Konversion von sub- und überbandgängigem Licht (Lumineszenzkonversion).