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Analyse neuartiger Silizium- und III-V-Solarzellen mittels Simulation und Experiment

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HERMLE, Martin, 2008. Analyse neuartiger Silizium- und III-V-Solarzellen mittels Simulation und Experiment [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz. [S.l.] : Dr. Hut. ISBN 978-3-89963-907-0

@phdthesis{Hermle2008Analy-9407, title={Analyse neuartiger Silizium- und III-V-Solarzellen mittels Simulation und Experiment}, year={2008}, author={Hermle, Martin}, address={Konstanz}, school={Universität Konstanz} }

2008 In dieser Arbeit wurden Solarzellen aus Silizium und III-V-Verbindungshalbleitern experimentell und mit Hilfe von numerischer Simulation analysiert und optimiert.<br />Im ersten Kapitel wurden die optischen und elektrischen Eigenschaften unterschiedlicher Solarzellenrückseiten untersucht und miteinander verglichen. Anhand analytischer Methoden und numerischer Strahlverfolgung konnten die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der Zellen quantifiziert werden und auch der Einfluss der Absorption an freien Ladungsträgern aufgezeigt werden. Die Analyse der elektrischen Eigenschaften zeigte, dass ein Vergleich der effektiven Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit nur bei der gleichen, möglichst hohen Basisdotierung sinnvoll ist, um Hochinjektionseffekte zu vermeiden. Die effektiven Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten für Zellen mit einem Basiswiderstand von 1 Ohmcm wurden anhand unterschiedlicher Methoden ermittelt und miteinander verglichen. Der Vergleich der unterschiedlichen Rückseiten ergab, dass vor allem hinsichtlich dünnerer Solarzellen die guten optischen und passivierenden Eigenschaften der Zellen mit dielektrisch passivierter Rückseite notwendig sind, um Wirkungsgrade über 20% erreichen zu können.<br />Ein Schwerpunkt dieser Arbeit war die Analyse und Optimierung von rückseitig sammelnden und rückseitig kontaktierten (RSK) Solarzellen. Zum einen wurden industriell realisierbare n-Typ RSK-Solarzellen für die nicht-konzentrierende Anwendung analysiert. Anhand eines analytischen Modells konnten die passivierenden Eigenschaften eines "Front-Surface Fields" (FSF) analysiert und optimiert werde. Die Analysen zeigten, dass die Passivierungsqualität durch die "High-Low Junction" zu niedrigerer Basisdotierung hin stark zunimmt. Der Vergleich der analytischen und numerischen Berechnungen ergab, dass bei Zellen ohne FSF die Einsammel¬wahrscheinlichkeit durch Hochinjektionseffekte stark beeinflusst wird, wohingegen die Kurzschlussstromdichte bei Zellen mit FSF nahezu keine Injektionsabhängigkeit aufweist. Neben dem oberflächenpassivierenden Effekt des FSF konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das FSF zu einer Erhöhung der lateralen Querleitfähigkeit beiträgt. Somit reduziert ein FSF die Serienwiderstandsverluste in RSK-Solarzellen mit niedriger Basisdotierung drastisch. Eine Analyse der Rückseite ergab, dass vor allem der Basisbereich, welcher nicht mit einem Emitter bedeckt ist, einen starken Einfluss auf die Kurzschlussstromdichte hat. Vor allem bei höherer Basisdotierung wirkt sich eine höhere Emitterbedeckung sehr positiv auf den Wirkungsgrad aus. Zusätzlich zu der Analyse des inneren Zellbereiches wurde auch der Einfluss der Metallisierung und der notwendigen Busbereiche analysiert. Die Untersuchungen ergaben, dass die Busbereiche zu elektrischen Abschattungsverlusten führen, die je nach Polarität von einer Reduktion des Füllfaktors oder der Kurzschlussstromdichte herrühren. Bei Konzentrator-RSK-Solarzellen führt vor allem das Verhalten des Füllfaktors zu einem drastischen Wirkungsgradsverlust der Zelle. Dieser kann jedoch vermieden werden, indem die Busse aus dem aktiven Zellbereich entfernt werden.<br /><br />Zusätzlich zu den untersuchten Silizium-Solarzellen wurden in dieser Arbeit auch Solarzellen aus III-V-Halbleitern analysiert. Für die Simulation von III-V-Mehrfachsolarzellen ist die korrekte Beschreibung der internen Verschaltung der Teilzellen durch die Esaki-Tunneldiode entscheidend. Es konnte gezeigt werden, dass nur unter Verwendung eines nicht lokalen Tunnelmodells der Verlauf des Tunnelstroms im unteren Spannungsbereich der experimentellen Strom-Spannungskennlinie korrekt beschrieben werden kann. Unter Verwendung des nicht lokalen Tunnelmodells konnte eine GaAs/GaAs-Tunneldiode kalibriert werden. Strukturanalysen haben gezeigt, dass der Tunnelstrom sehr stark durch die Dotierhöhe der Tunnelschichten, sowie das Profil am pn-Übergang beeinflusst ist. Das Modell der Tunneldiode wurde abschließend in eine GaInP/GaAs-Tandemsolarzelle implementiert, und damit die Hellkennlinie und die Quanteneffizienz dieser Mehrfachsolarzelle simuliert. Neben der Optimierung und Analyse von Solarzellen, die auf der Erde eingesetzt werden, wurde in dieser Arbeit an der Entwicklung einer strahlungsstabilen Dreifachsolarzelle für den Einsatz im Weltraum mitgearbeitet. Anhand einer umfassenden Simulationsstudie konnten die notwendigen Strukturänderungen wie die Implementierung eines Halbleiterspiegels und die Verringerung der Zelldicke sowie die Verwendung eines Dotiergradienten in der Basis realisiert und evaluiert werden. Eine abschließende Sensibilitätsanalyse ergab, dass die optimierte Mittelzellstruktur in einem stabilen Maximum liegt und somit für die industrielle Produktion bestens geeignet ist. Analyse neuartiger Silizium- und III-V-Solarzellen mittels Simulation und Experiment [S.l.] : Dr. Hut 978-3-89963-907-0 2011-03-24T17:56:15Z Analysis of silicon- and III-V-solar cells using simulations and experiments application/pdf deposit-license 2011-03-24T17:56:15Z Hermle, Martin Hermle, Martin deu

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