Die Grätzel-Zelle. Die photochemische Solarenergiewandlung im Vergleich zur Photovoltaik auf Siliziumbasis

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung

2 Motivation

3 Physikalische Grundlagen
3.1 Licht als elektromagnetische Welle
3.2 Der Photoelektrische E ekt
3.3 Die photovoltaische Energiewandlung mit Siliziumsolarzellen . . .
3.3.1 Aufbau und Herstellung
3.3.2 Funktionsprinzip
3.4 Die photochemische Energiewandlung
3.4.1 Aufbau der Grätzel Zelle
3.4.2 Funktionsprinzip

4 Entwicklungen und Potentiale der Photovoltaik
4.1 Ersatzschaltbild und Wirkungsgrad
4.2 Untersuchung des Wirkungsgrades der Grätzel Zelle
4.3 Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von amorphem und mikro- kristallinem Silizium
4.4 Die Grätzel Zelle

5 Zusammenfassung

Abbildungsverzeichnis

1 Licht als transversale Welle[18]

2 Überblick Sonnenspektrum

3 Schematischer Aufbau einer Solarzelle[19]

4 Bändermodell eines dotierten Halbleiters[3]

5 Schematischer Aufbau der Grätzel Zelle[21]

6 Vereinfachtes Jablonski-Diagramm eines Farbsto s[2]

7 Vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Solarzelle[22]

8 Strom-Spannungskennlinie einer Diode[23]

9 Strom-Spannungskennlinie einer Solarzelle[24]

10 Abhängigkeit der solaren Energieausbeute von der Bandlücke[4]

11 Überblick Kinetik des Elektronentransfers Grätzel Zelle[15]

1 Einführung

Das Gold des 21.Jahrhunderts heiÿt Energie.

Das ist der Slogan einer Firma¹, die sich mit neuen Ansätzen der dezentralen Energieversorgung beschäftigt. Er prophezeit die zukünftigen Entwicklungen des Energiemarktes kurz und tre end. Die derzeitigen Bewegungen auf den interna- tionalen Finanzmärkten zeigen, wie sehr die westliche Zivilisation und mit ihr die globale Wirtschaftssituation am Tropf der Öl-exportierenden Nationen hän- gen.Es ist eine Tatsache, dass die fossilen Brennsto e in nicht allzu ferner Zukunft erschöpft sein werden. Doch bereits bevor Sie aufgebraucht sein werden, wird de- ren Verknappung zu einer deutlichen Verteuerung dieses Rohsto s führen. Die Suche nach Alternativen Energiequellen muss ein Imperativ sein, da zum einen Teile des Rohöls als Ausgangssto in der Chemischen Industrie eine nicht unbe- deutende Rolle spielen und zum anderen die vermehrte Verbrennung der fossilen Rohsto e unvorhersagbare Klimawandlungen zur Folge haben kann.

2 Motivation

Im Rahmen dieser Hausarbeit möchte ich die technischen Entwicklungen als auch die Potentiale der photovoltaischen Sonnenenergienutzung ausarbeiten. Hierbei gehe ich auf die Entwicklungen im Bereich der Solarzellen auf Siliziumbasis im besonderen der Dünnschichttechnik, sowie auf die Entwicklung einer photoche- mischen Solarzelle nach Grätzel ein. Nach einer Einführung in die physikalischen Grundlagen werde ich aktuelle Entwicklungen dieser Technologien diskutieren.

3 Physikalische Grundlagen

3.1 Licht als elektromagnetische Welle

Das sichtbare Licht ist der Teil der elektromagnetischen Strahlung, der vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Dies entspricht dem Bereich der elektromagnetischen Wellen zwischen 380-780 nm Wellenlänge. Dieses sichtbare Spektrum ist nur ein kleiner Teil des Spektrums der Solarstrahlung. Elektromagnetische Wellen sind gekennzeichnet durch ihre:

- Ausbreitungsgeschindigkeit c in m/s

- Wellenlänge λ in m

- Frequenz ν in 1/s

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Licht als transversale Welle[18]

Im Allgemeinen schwingen der elektrische und der magnetische Feldvektor je- weils senkrecht zueinander als auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Polari- siertes Licht bedeutet, daÿ die Feldvektoren jeweils nur in einer Schwingungs- ebene im Lichtstrahl vorkommen. Bei unpolarisiertem Licht überlagern sich alle Schwingungsebenen. Im Vakuum ist die Ausbreitungsgeschwindigeit eine Kon- stante c0 = 299792458 m/s und unabhängig von der Frequenz der Welle. Tri t die Strahlung jedoch auf Materie, d.h. auf ein Medium mit bestimmten Materia- leigenschaften, wie der Permittivität und der Permeabilität, so verringert sich die Geschwindigkeit je nach Material und wird frequenzabhängig. Hierbei bestimmt die Permittivität ε die Durchlässigkeit eines Mediums für elektrische Felder und die Permeabilitätµ für magnetische Felder. Es besteht folgender physikalischer Zusammenhang:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Elektromagnetische Wellen sind im Spektrum nach der Wellenlänge sortiert. Insbesondere bei den kurzwelligen Erscheinungsformen der elektromagnetischen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Überblick Sonnenspektrum

Wellen, wie beispielsweise der UV Strahlung, eignet sich das oben beschriebene Wellenmodell nicht, um alle beobachtbaren Phänomene zu beschreiben. Vielmehr treten die Teilcheneigenschaften einzelner Photonen, der Quanten der Elektromagnetischen Welle, in den Vordergrund und bestimmen die beobachteten Vorgänge. Im Rahmen dieser Teilchenvorstellung des Lichtes wird jedem einzelnen Photon bestimmter Frequenz eine Energie zugeordnet.

E =h·ν (2)

Die Proportionalitätskonstante h = 6, 6260755 · 10−³⁵ Js wird als PLANK`sches Wirkungsquantum bezeichnet. Die Korpuskel- bzw. Teilchentheorie des Lichtes wurde auch schon von Isaac NEWTON vertreten, notwendig aber erst als 1887 Heinrich HERTZ und Wilhelm HALLWACHS erstmals den Photoelektrischen Ef- fekt des Lichtes beobachteten und mit der klassischen Wellentheorie nicht erklären konnten. Max PLANCK führte 1900 Versuche zur Untersuchung des Strahlungs- verhaltens 'Schwarzer Körper' durch und führte dabei die Hilfsgröÿe h ein, da er davon ausging, daÿ Strahlung bestimmter Frequenz nur in bestimmten Energie- paketen (2) emittiert bzw. absorbiert werden kann. PLANCK hielt den nichtkon- tinuierlichen Charakter der Energie zunächst für eine Folge der Eigenschaft der Strahlungsquelle. Erst Albert EINSTEIN postulierte 1905 die Lichtquantenhy- pothese, die besagt, dass die Quantisierung unabhängig von der Strahlungsquelle eine Eigenschaft des Strahlungsfeldes ist. Anlass dazu waren die experimentellen Ergebnisse zum photoelektrischen E ekt.

3.2 Der Photoelektrische E ekt

Das Phänomen des Photoelektrischen E ektes umfaÿt das Freisetzen elektrisch geladener Teilchen aus einem Material, wenn dieses von elektromagnetischer Strah- lung, wie z.B. Licht oder Ultraviolettstrahlung, getro en wird. Die von den Elek- tronen aufgenommene kinetische Energie ist dabei nicht abhängig von der Inten- sität des auftre enden Lichtes sondern ausschlieÿlich von der Frequenz, d.h. von der Art der elektromagnetischen Strahlung. Diese Erkenntnis widersprach den damaligen Au assungen der klassischen Physik, wonach die Energie einer Welle von deren Amplitude nicht aber von deren Frequenz abhängt. Erst mit Einsteins Lichtquantenhypothese wurde das Phänomen beschreibbar. Heute fasst man vier nahe verwandte, durch Strahlung hervorgerufene E ekte unter dem Begri des Photoelektrischen E ektes zusammen.

1. Äuÿerer Photoe ekt
2. Innerer Photoe ekt
3. Photoionisation
4. Photovoltaischer E ekt

In allen Fällen wird von einem Photon Energie an ein Elektron übertragen. Die- ses angeregte Elektron kann unterschiedliche Phänomene bewirken. Beim äuÿeren Photoe ekt wird wie beschrieben durch die Energie des Photons ein Elektron frei- gesetzt. Dazu muÿ jedoch eine Mindestenergie , die sogenannte 'Austrittsarbeit', aufgebracht werden. Die so herausgeschlagenen Elektronen verlassen das Mate- rial mit kinetischer Energie. Die dadurch erzeugte Ladungstrennung hängt von der Lichtwellenlänge bzw. der Frequenz ab. Der innere Photoe ekt wird in Fest- körpern beobachtet, bei denen die Elektronen im nichtleitenden Valenzband sind und nur eine schwache elektrische Leitung möglich ist. Durch Photonen werden Elektronen in ein energetisch höhergelegenes Leitungsband gehoben, so dass das Material unter Beleuchtung besser leitet. Unter Photoionisation versteht man den lichtelektrischen E ekt in Gasphasen.

Der photovoltaische E ekt basiert auf dem inneren photoelektrischen E ekt. Zusätzlich wird ein p-n-Übergang benötigt. An dem Übergang ndet eine Ladungstrennung statt. Das entstehende elektrische Spannungsgefälle kann für die Wandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie genutzt werden. Der Photovoltaische E ekt ist Grundlage von Solarzellen z.B. auf Siliziumbasis.

3.3 Die photovoltaische Energiewandlung mit Siliziumso- larzellen

3.3.1 Aufbau und Herstellung

Die Siliziumsolarzelle besteht grundsätzlich aus einer mit Phosphor dotierten n- Silizium-Schicht und einer mit Bor dotierten p-Silizium-Schicht. Zwischen die- sen beiden Schichten be ndet sich der sogenannte p-n-Übergang bzw. die Sperr- schicht. Auf der Ober- und Unterseite der Solarzelle sind jeweils Kontakte ange- bracht, um den photovoltaischen Stromkreis zu schlieÿen.Das Grundmaterial Si-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Schematischer Aufbau einer Solarzelle[19]

lizium ist das zweithäu gste chemische Element, das in der Erdkruste vorkommt. Es liegt meist als Quarzsand vor. Aus diesem kann in einem Hochofenprozess Roh- silizium mit Verunreinigungen von circa 1% hergestellt werden. Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig. Dennoch können die heute verwendeten Solarzellen je nach Bauart die für ihre Produktion erforderliche Energiemenge innerhalb von 1,5 bis 7 Jahren wieder bereitstellen. Aus dem Rohsilizium wird dann über einen mehrstu gen Prozess polykristallines Reinstsilizium hergestellt. Das nun vorhandene Reinstsilizium kann auf sehr unterschiedliche Arten weiterverarbeitet werden. Man unterscheidet je nach Weiterverarbeitung des Reinstsiliziums drei verschiedene Typen von Siliziumzellen:

- Monokristalline Zellen
- Polykristalline Zellen
- Zellen aus amorphem Silizium

Die ersten beiden Typen bestehen aus Silizium in kristalliner Form unterschied- licher Qualität. Mithilfe verschiedener Verfahren, auf die ich hier nicht eingehen will, werden nun Siliziumsäulen "gezüchtet", von denen dann sogenannte Wafer abgesägt werden. Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei circa 0,25 bis 0,3 mm. Diese Wafer sind bereits gezielt mit dem Element Bor verunreinigt, d.h. do- tiert worden. Dies wird auch p-Dotierung genannt, da mit Hilfe des dreiwertigen Bors freibewegliche positive Ladungsträger ins Silizium injiziert werden. Auf dem Weg zur fertigen Solarzelle mit p-n-Übergang muss nun die Ober äche noch eine n-Dotierung bekommen, was durch Prozessierung der Zelle in einem Ofen mit Phosphor-Atmosphäre geschieht. Die Phosphoratome scha en eine Zone mit Elektronenüberschuss auf der Zellober äche die ca. 1µm tief ist.

Einen anderen Solarzellentyp stellen die Dünnschichtsolarzellen dar.Die Dünnschichtzellen werden im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Zellen meist durch Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial aufgebracht. Dies kann Glas, Metallblech, Kunststo oder auch ein anderes Material sein. Es werden bei dieser Technik verschiedene Halbleitermaterialien wie amorphes Silizium (a-Si), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium- Gallium-Schwefel-Selen-Verbindungen (CIS) verwendet.

3.3.2 Funktionsprinzip

Das Herz der Siliziumsolarzelle ist der bereits erwähnte p-n-Übergang. Zur Be- schreibung von Leitfähigkeitsphänomenen in diesem Übergang ist das Bänder- modell gut geeignet. Das Bändermodell geht davon aus, daÿ mit zunehmendem Abstand vom Kern die diskreten Energieniveau der Atomorbitale im Festkörper- gitter durch Wechselwirkungen der Atome untereinander zu sogenannten Bändern gedehnt werden. Es handelt sich hierbei jedoch nicht um ein einzelnes gedehn- tes Atomorbital, sondern vielmehr, um eine Überlagerung vieler nahe beieinan- der liegender Orbitale, die durch zwischenatomare Wechselwirkung hervorgerufen werden. Das beim absoluten Nullpunkt höchste besetzte Band wird als Grund- bzw. Valenzband, das darüber liegende erste unbesetzte Band als Leitungsband bezeichnet. Zwischen den einzelnen Bändern be nden sich die sogenannten ver- botenen Zonen, in denen sich keine Elektronen aufhalten können. Der Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband, der als Bandlücke bezeichnet wird, beein- uÿt maÿgeblich die elektrischen Eigenschaften der Festkörper. Mit der Tempera- tur steigt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in höheren Energie- niveau. Je näher sich das Leitungsband am Valenzband be ndet, um so gröÿer ist demnach die Wahrscheinlichkeit (z.B. bei Zimmertemperatur) Elektronen im Leitungsband vorzu nden. Bei Metallen liegt praktisch keine Bandlücke vor. Es kommt vielmehr zu einer Überlappung von Valenz und Leitungsband, so daÿ Me- talle bei Raumtemperatur bereits ein halb mit Elektronen besetztes Leitungsband besitzen. Bei Isolatoren ist die Bandlücke so groÿ ([Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]), daÿ selbst durch die Temperaturbewegung keine Elektronen in das Leitungsband gelangen, d.h.

[...]

¹ Vgl.[25]