Add Thesis

Bewertung des Solarstraßenkonzepts

Written by S. Hasan

Paper category

Master Thesis

Subject

Physics

Year

2019

Abstract

Masterarbeit: Solarenergie und Photovoltaik Solarenergie stellt eine unerschöpfliche und unerschöpfliche nachhaltige Energiequelle dar. Mit Hilfe der heutigen Technik kann Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden, um dieses Energiepotenzial zu erschließen. Grundsätzlich kommen dafür zwei Technologien zum Einsatz: Photovoltaik und Solarthermie. Im ersten Schritt wandelt Solarthermie Sonnenenergie in Wärme um. Im zweiten Schritt kann schließlich thermische Energie in elektrischen Strom umgewandelt werden. Im Gegensatz dazu kann die photovoltaische Stromerzeugung Strahlung direkt in elektrische Energie umwandeln [30]. Da die Stromerzeugung die Hauptpriorität der photovoltaischen Stromerzeugung ist, wird diese Art der Stromerzeugung und ihre Betriebsarten weiter unten im Kapitel Solarstromerzeugung mit vielen unterschiedlichen Prozessen näher erläutert. Halbleitermaterialien und deren Verhalten spielen dabei eine wichtige Rolle. 3.1.1 Halbleiter und Energiebandmodelle Halbleiter stellen amorphe oder kristalline Festkörper dar und ihre besonderen Eigenschaften werden insbesondere in elektronischen Produkten genutzt. Im Gegensatz zu amorphen Feststoffen haben kristalline Zusammensetzungen sich wiederholende, regelmäßige Anordnungen. Diese regelmäßige Gitterstruktur findet sich meist in den Elementen der vierten Hauptgruppe des Periodensystems (PSE), auch Kristalle genannt. Abbildung 4 zeigt die Kristallstruktur dieses elementaren Siliziums. Der Kern von kristallinem Silizium ist von vier Valenzelektronen umgeben. Jedes dieser äußeren Elektronen geht mit den Elektronen benachbarter Atome eine kovalente Bindung ein. Dadurch entsteht ein Abstand zwischen Atomen und Valenzelektronen in derselben Gitterstruktur. Die Struktur von Siliziumkristallen wird aufgrund ihrer räumlichen Struktur auch als Diamantgitter bezeichnet [31], [32]. Neben Silizium, das hauptsächlich für Solarzellen verwendet wird, sind auch andere Halbleitermaterialien bekannt. Germanium (Ge) und Diamant (C) sind wie Silizium elementare Halbleiter, während die Verbindungen Indiumphosphid (InP), Galliumarsenid (GaAs) oder Zinkselenid (ZnSe) als Verbindungshalbleiter bezeichnet werden. Als elementare Halbleiter werden im Allgemeinen elementare Halbleiter verwendet. Als Grundmaterial in Bauelementen werden Verbindungshalbleiter hauptsächlich in optoelektronischen Bauelementen wie LEDs oder Laserdioden eingesetzt [33]. Generell sind Halbleitermaterialien die Kernrohstoffe der heutigen Hightech-Industrien. Zu ihren herausragenden Eigenschaften gehört die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit mit steigender Temperatur. Dieses physikalische Ereignis kann im Folgenden mit Hilfe des gezeigten Bandmodells erklärt werden. Die Energiebänder in Halbleiterkristallen sind das Ergebnis der Kopplung vieler einzelner Atome. Die Energieniveaus der Atome liegen so nahe, dass es fast unmöglich ist, sie zu erkennen und Energiebänder zu bilden. Je nach Energiezustand gibt es einen Unterschied zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband [31]. Das tiefe Valenzband der Energie wird von Valenzelektronen besetzt, wodurch chemische Bindungen im Kristall gebildet werden. Andererseits befinden sich beim absoluten Nullpunkt (T = 0K) keine Elektronen im Leitungsband [33] und die beiden Energiebänder sind durch eine „verbotene Zone“, auch „Bandlücke“ oder „Bandlücke“ genannt, getrennt " WG. Dies verhindert, dass Elektronen von einem niedrigeren Energiezustand in ein höheres Leitungsband übergehen. Je breiter die verbotene Zone, desto mehr Energie wird benötigt, um die Lücke zu überwinden. Die Bandlücke wird durch die Differenz zwischen der Unterkante des Leitungsbandes WL und der Oberkante des Valenzbandes WV verursacht. Um Leitfähigkeit zu erzeugen, müssen Elektronen aus dem Valenzband durch die Bandlücke in das unbesetzte Leitungsband gelangen. Letzteres geschieht beispielsweise durch Bereitstellung von thermischer Energie oder Lichtanregung (zB Lichteinstrahlung), wobei die Elektronen eine Energieerhöhung in Form einer Temperaturerhöhung erfahren. Valenzelektronen werden mit steigender Temperatur durch entsprechende thermische Schwingungen angeregt [31], [32]. Dadurch werden einzelne Elektronen aus ihren Bindungen gelöst und liegen im Kristall als freie Ladungsträger vor. Freie Elektronen können nun vom Valenzband durch die verbotene Zone in das Leitungsband eindringen (Abbildung 5, rechts). Es kann den Kristall im unbesetzten Energieband leicht passieren und seine Leitfähigkeit erhöhen. Der bei Halbleiterkristallen beschriebene Prozess wird auch "intrinsische Leitfähigkeit" genannt. Die intrinsische Leitfähigkeit von Silizium hängt von der Erzeugung (Erzeugung) oder Zerstörung (Rekombination) freier Elektronen ab. Man sprach auch von der Rekombination dieser Generation oder von Elektron-Loch-Paaren, weil einerseits durch die Trennung der Elektronen von der chemischen Bindung Lücken oder Löcher im Kristall entstehen (Generation), und andererseits die Löcher zurückfallen, um die Elektronen zu füllen (Rekombination). Im Valenzband ist der beschriebene Vorgang jedoch unmöglich, da alle Elektronen fest miteinander verbunden sind und sich daher gegenseitig in ihren Positionen blockieren. Daher gibt es im Energieband mit niedrigerem Energiezustand keinen Elektronenfluss, also keinen leitfähigen Zustand [31] [33]. Ebenso haben Stoffe, die als Isolatoren wirken (zB Glas), keine elektrische Leitfähigkeit. Der Grund dafür ist, dass die Bandlücke zwischen Valenzband und Leitungsband zu groß ist und auch bei hohem Energieeintrag nicht überbrückt werden kann. Read Less