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ENERGIE AUS SONNENLICHT PHYSIK DER ENERGIEKONVERSION
Dieter Neher Physik weicher Materie Institut für Physik und Astronomie Universität Potsdam Potsdam-Golm
Moderne Themen der Physik Potsdam, 16.4.2014
Prof. Dr. Dieter Neher Universität Potsdam
Weltweiter Energiebedarf
Energiebedarf (weltweit) : WBedarf = 5.1 10 14 MJ/Jahr
Fossile Energieträger:
Steinkohle 30 MJ/kg 1.61010 t/y
Benzin 32 MJ/l 1.61010 Ɩ/y
entsp. (2500 m)3
Nukleare Energieträger:
U 235 90106 MJ/kg 5600 t/y
Kernkraftwerk 1106 MJ/kg 500.000 t/y
Fusionsreaktor 300106 MJ/kg 1700 t/y
Materie-
Antimaterie
90109 MJ/kg 5.5 t/y
Prof. Dr. Dieter Neher Universität Potsdam
Treibhauseffekt
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Sonnenenergie
http://www.eike-klima-energie.eu
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Sonnenenergie
Strahlungsleistung der Sonne auf Erdoberfläche (im Mittel)
PSonne = 198 W/m2
Strahlungsenergie:
WSonne =3.2 10 21 kJ/Jahr
Energiebedarf (weltweit) :
WBedarf = 5.1 10 17 kJ/Jahr
Elektrische Energie (weltweit)
Welekt = 8.6 10 16 kJ/Jahr
Der weltweite Energiebedarf beträgt nur ca. 0.01 % der Energie, die durch Sonnenlicht die Erde erreicht
http://oceanworld.tamu.edu/resources/oceanography-book/oceansandclimate.htm
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What is the Sun?
MA Green, Third generation photovoltaics
Energy Density per Unit Photon Energy (as a function of photon energy E)
0
0,5
1
1,5
2
250,0 750,0 1250,0 1750,0
Sp
ectr
al
irra
dia
nce
(W
m-2
)
Wavelength (nm)
extraterrestrial
terrestrial
Blackbody 5800K
1/exp
1332
3
kTcd
deE
Sun appears to us as black body of Temperature 5800 K
323
42
0
115
)(m
Jc
TkEdEe SB
ES
Total energy density:
Emission intensity 2744
23
2
104.660 m
WTTc
kI SS
BS
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Das Sonnenspektrum
AM1.5G: 930 W/m2 direkt
1000 W/m2 global MA Green, Third generation photovoltaics
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Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik in der Formulierung von Kelvin und Planck lautet: „Es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die weiter nichts bewirkt als Hebung einer Last und Abkühlung eines Wärmereservoirs.
Es gibt keine Wärmekraftmaschine, die bei gegebenen mittleren Temperaturen der Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr einen höheren Wirkungsgrad hat als den aus diesen Temperaturen gebildeten Carnot-Wirkungsgrad.
In einem abgeschlossenen System kann die Entropie nicht abnehmen, sie nimmt in der Regel zu. Nur bei reversiblen Prozessen bleibt sie konstant
http://de.wikipedia.org/wiki/Thermodynamik
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Maximaler Wirkungsgrad
AS
A
T
T
T
T 0
4
4
max 11
TS = 5778 K T0 = 297 K
Konversion von Strahlungsleistung in mechanische Arbeit:
Aus Würfel: Physik der Solarzelle
begrenzt durch: Wärmestrahlung des Absorbers Wirkungsgrads des Carnot-Prozesses:
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Solarturm-Kraftwerke
Solar One Mojave Wüste, Kalifornien Arbeitsmedium Wasserdampf 1818 Heliostaten a 39.3 m2 71103 m2 entspr. 71 MW maximale Strahlungsleistung 10 MW elektrische Leistung 7 % im Jahresdurchschnitt
http://www.theenergylibrary.com/node/570
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Solarturm-Kraftwerke
Ivanpah Mojave Wüste, Kalifornien Arbeitsmedium Dampf 347 000 Heliostaten verteilt auf 14106 m2 (14 km2) entspr. 14 GW Strahlungsleistung 392 MW elektrische Leistung entspr. 2,8 % bezogen auf Gesamtfläche Baukosten 2.2 Milliarden Dollar 5.6 $ pro W
Quellen: Internet und Physik Journal 2014
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Solar-Stirling
EuroDish Solar Receiver: Kombination aus Parabolspiegel und Stirling Motor:
9.2 kW Nettoleistung 16 % Wirkungsgrad
http://de.wikipedia.org/wiki/Solar-Stirling
SunCatcher von Stirling Energy Systems Rekordeffizienz 31.25 %
Maricopa Solar Plant, Arizona
1.5 MW Nettoleistung 26 % Wirkungsgrad > 500 oC Arbeitstemperatur
http://www.power-technology.com/
http://www.nrel.gov/csp/solarpaces/project_detail.cfm/projectID=58
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Solarzellen
http://www.gsi-fonds.de/fileadmin/assets/Solar/Solarprinzip.jpg
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Anorganische Halbleiter
Energie
Leeres Leitungsband (LB) Vollständig mit Elektronen gefülltes Valenzband (VB)
Ausbildung delokalisierter Energiebänder durch Überlagerung der atomaren Orbitale
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Erzeugung von Elektron-Loch Paaren
• Licht hebt Elektron vom Valanz- ins Leitungsband • Dabei entsteht ein schwach gebundenes Elektron-Loch Paar • Dieses “dissoziiert” bei Raumtemperatur schnell in freie Elektronen und Löcher
Leitungsband
Valenzband
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Grundprinzip der Solarzelle
• Extraktion der freien Ladungsträger zu separaten Kontakten
En
erg
y
Elektrode 2 Elektrode 1
Leitungsband
Valenzband
Strom e-
h+
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Grenzen der Photovoltaik
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Grundlegende Limitierung E
nerg
ie
VB
hn=EG hn<EG hn>EG
Keine Absorption
Idealfall Energieverlust durch Thermalisierung
LB
Bandlücke
Prof. Dr. Dieter Neher Universität Potsdam 19
The Shockley-Queisser limit
Ωemit
Jγ,emit(V)
Jγ,0
T0
T0
Ts
Jγ,S
V
J
Ωs
recombination
relaxation not absorbed
useful power
AM 1.5 V J
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Das Shockley-Queisser Limit
en.wikipedia.org/wiki/Shockley–Queisser_limit, Würfel: Physik der Solarzellen
Maximale Konversionseffizienz einer Solarzelle mit einer aktiven Schicht:
33.7 %
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Das Shockley-Queisser Limit
http://greenecon.net/what%E2%80%99s-pushing-solar-energy-efficiency/energy_economics.html
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Sonnenenergie in Deutschland
PV in der deutschen Stromproduktion* 4 % im Durchschnitt 30 % im Maximum
c/o Bernd Rech, HZB
* 2012
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Si-Photovoltaik
Silizium ist ein indirekter Halbleiter Effiziente Absorption erfordert dicke Schichten
http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle http://photonicssociety.org/newsletters/ dec02/industrial_research.html
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Dünnschicht-Solarzellen
c/o Bernd Rech, HZB Berlin
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Effizienz von Mehrschicht-Solarzellen
Graetzel et al., Nature 488, 304 (2012)
Effizienzen von über 30 % nur möglich in Mehrschichtstrukturen mit angepassten Absorptionsbedingungen
Sonnenspektrum und optimale Absorptionsbereiche:
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Organische Halbleiter
kleine konjugierte Moleküle konjugierte Makromoleküle
c/o Christian Cloc, Nanyang Univeristy c/o Sebastian Bange, Univ Potsdam
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Präzise Kontrolle der Absorptionseigenschaften
c/o Klaus Meerholz, Universität Köln
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Effizente Polymer-Tandemzelle
10.6 % Effizienz
• Aktive Schichten aus Lösung prozessiert • Gute Nutzung des Sonnenspektrums • 10.6 % Leistungseffizienz im Bauteil
J. You, Y. Yang et al., Nature Commun. 4, 1446 (2013)
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A Hybrid Triple Layer Cell
S. Roland et al.,, Adv. Mater, in print
11.7 % Power Conversion Efficiency
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Solarzellen - Rekordeffizienzen
NREL Solar Cell Efficiency Chart http://www.nrel.gov/ncpv/
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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Themen für Hausarbeiten
Physikalische Konzepte der Photovoltaik Physik der Si-Solarzelle Organische Halbleiter / Organische Solarzellen