Low Dimensional Si/SiGe Structures Deposited by UHV-CVD for Thermophotovoltaics

Zitieren

Dateien zu dieser Ressource

Prüfsumme: MD5:706cebd36dd770a4fd1d4cc5ce221f53

PALFINGER, Günther, 2006. Low Dimensional Si/SiGe Structures Deposited by UHV-CVD for Thermophotovoltaics [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz

@phdthesis{Palfinger2006Dimen-8848, title={Low Dimensional Si/SiGe Structures Deposited by UHV-CVD for Thermophotovoltaics}, year={2006}, author={Palfinger, Günther}, address={Konstanz}, school={Universität Konstanz} }

2011-03-24T17:51:00Z application/pdf Palfinger, Günther eng deposit-license 2006 Palfinger, Günther Photozellen mit niedriger Bandlücke, d.h. kleiner als jene von Si, können in Tandem-Solarzellen oder in der Thermophotovoltaik (TPV) angewandt werden. Niedrige Bandlücken können durch das Einbetten von Lagen mit SiGe-Nanostrukturen in Si erzielt werden. Befindet sich solch ein Stapel in der Raumladungszone einer pin Diode, erhöht sich dadurch die Infrarot-Sensibilität der Photozelle. Die Kompatibilität zur Si-Technologie wird durch die Verwendung von kristallinen Si-Scheiben als Substrat und durch Ultrahochvakuum-Epitaxie aus der Gasphase (UHV-CVD -- Ultra High Vacuum-Chemical Vapour Deposition) gewährleistet, das eine kosteneffizientere Massenfertigung im Vergleich zu anderen Materialien mit niedriger Bandlücke, wie z.B. GaSb, verspricht. Die Gitterfehlanpassung zwischen Si und Ge von ca. 4% führt zur Stauchung der SiGe Strukturen, welche die maximale Dicke, die epitaktisch abgeschieden werden kann, limitiert. Da Absorption des Lichtes eine Voraussetzung für die photovoltaische Umwandlung in Elektrizität ist, und die abscheidbare SiGe-Dicke klein im Vergleich zur Dicke einer Si Photozelle ist, wird für eine vergleichbare Quantenausbeute ein entsprechend höherer Absorptionskoeffizient der SiGe Nanostrukturen benötigt. Die örtliche Begrenztheit der Ladungsträger (Confinement) in den SiGe Nanostrukturen bewirken eine Verbreiterung ihrer Wellenfunktion im Impulsraum, die zu einer höheren Wahrscheinlichkeit eines direkten Übergangs der Ladungsträger vom Valenz- zum Leitungsband führt. Deshalb kann erwartet werden, dass diese Übergänge, die kein Phonon benötigen, die optische Absorption signifikant erhöhen. In dieser Arbeit wird die optische Absorption von SiGe Nanostrukturen zum ersten Mal in absoluten Einheiten untersucht und die Ergebnisse mit einer Photostrommessung verglichen. Darüberhinaus werden die Gestehungskosten von Elektrizität, die durch TPV erzeugt wird, abgeschätzt.<br /><br />Die optische Absorption der SiGe Strukturen wurde mittels interner Vielfachreflexions-Spektroskopie gemessen, bei der das Licht den Stapel von SiGe Lagen mehr als 400 mal durchläuft. Die Totalreflexion des Lichtes bewirkt eine stehende elektromagnetische Welle. Der Absorptionskoeffizient wurde aus den experimentellen Daten unter Berücksichtigung der Geometrie und der Verteilung des elektrischen Feldes gewonnen. Das Messergebnis wurde mit einem theoretischen Modell verglichen, das die Bandstruktur des gestauchten SiGe, sowie Confinement-Effekte berücksichtigt. Der Vergleich von der Photostrom- mit der Absorptionsmessung weist darauf hin, dass einige Photonen mit einer Energie < 1 eV nicht in Photostrom umgewandelt werden. Ohne Lichteinfang wären 1000 Lagen mit SiGe Strukturen notwendig, um 1% des Lichtes mit einer Photonenenegie von 1 eV zu absorbieren. Lichteinfang und eine Verbesserung der Abscheide-Technologie ist erforderlich, um SiGe Nanostrukturen zu erhalten, die für den Einsatz in der Photozellen-Produktion geeignet sind.<br /><br />Es wurde eine detaillierte Kostenabschätzung für TPV-Systeme angefertigt, die auf drei verschiedenen Photozell-Technologien basieren: Si Photozellen, GaSb Photozellen und Photozellen mit niedriger Bandlücke, zu einem Preis, wie er mit Si-kompatibler Technologie zu erwarten ist. Für die Berechnung der Kosten der Elektrizität wurde eine Lebensdauer von 20 Jahren, ein jährlicher Zinssatz von 4,25% und ein jährlicher Wartungsaufwand von 1% der Investitionskosten angesetzt. Für die Bestimmung der Produktionskosten eines TPV-Systems mit einer thermischen Leistung von 12-20 kW wurden die Kosten der TPV-Einzelkomponenten zuzüglich 100 EUR/kW_{el,peak} für die Fertigung und Kleinteile angenommen. Die Kosten des GaSb basierten Systems wurde von den Kosten der Photozellen und der Annahme, dass diese 35% der Gesamtkosten betragen, berechnet. Die Berechnung wurde für vier verschiedene TPV-Szenarien durchgeführt: Ein Prototyp-System, das auf existierender Si Solarzellen Technologie basiert (Systemwirkungsgrad eta_{sys} = 1,0%), ergibt Investitionskosten von 3.000 EUR/kW_{el,peak}, ein optimiertes Si Photozellen basiertes, mit verfügbarer Technologie fertigbares System (eta_{sys} = 1,5%) ergibt Investitionskosten von 900 EUR/kW_{el,peak}, ein weiter optimiertes System, das auf zukünftiger, kostengünstiger Technologie basiert (eta_{sys} = 5%) ergibt Investitionskosten von 340 EUR/kW_{el,peak} und ein auf GaSb Photozellen basiertes System (eta_{sys} = 12,3% mit Wärmetauscher) ergibt Investitionskosten von 1.900 EUR/kW_{el,peak}. Die daraus resultierenden Elektrizitätskosten betragen zwischen 6 und 25 EURcents/kWh_{el} (inklusive 3,5 EURcents/kWh für das Gas) und wurden mit jenen einer Brennstoffzelle (31 EURcents/kWh) und eines Gasmotors (23 EURcents/kWh) verglichen. Low Dimensional Si/SiGe Structures Deposited by UHV-CVD for Thermophotovoltaics 2011-03-24T17:51:00Z Mit UHV-CVD abgeschiedene, niedrigdimensionale Si/SiGe Strukturen für Thermophotovoltaik

Dateiabrufe seit 01.10.2014 (Informationen über die Zugriffsstatistik)

dissertation_palfinger.pdf 148

Das Dokument erscheint in:

deposit-license Solange nicht anders angezeigt, wird die Lizenz wie folgt beschrieben: deposit-license

KOPS Suche


Stöbern

Mein Benutzerkonto