Third Generation Photovoltaics
Green
Third Generation Photovoltaics
In diesem mit beneidenswerter Klarheit geschriebenen Buch geht es um neuartige physikalische Konzepte, mit denen sich der Wirkungsgrad von Solarzellen steigern lässt. Ausgangspunkt ist eine Carnot-Maschine, die zwischen der Temperatur TS = 6000 K der Sonne und der Erdtemperatur TE =300 K betrieben wird. Theoretisch hat diese einen Wirkungsgrad von 95 %. Doch selbst allerbeste, heutige Solarzellen liegen mit einem Weltrekordwirkungsgrad von 24,7 % weit unter dieser Marke. Dafür gibt es drei Gründe: (i) Solarzellen mit einer einzigen Bandlücke Eg absorbieren nicht alle Photonen; (ii) derjenige Anteil der Photonenenergie hn, welcher die Bandlücke Eg übertrifft, wird nicht vollständig ausgenützt, und (iii) Solarzellen haben den thermodynamisch nicht vermeidbaren Verlustprozess der strahlenden Rekombination, der erstmals von Shockley und Queisser im Jahr 1961 beschrieben wurde.
Alle drei Prozesse zusammen legen die klassische theoretische Obergrenze des Wirkungsgrades auf 33 %. Die 'Shockley-Queisser-Grenze' galt bis 1994, als Werner, Kolodinski und Queisser zeigten, wie man mit Hilfe der Stoßionisation unter Umgehung des Verlustprozesses (i) prinzipiell wesentlich höhere Wirkungsgrade selbst mit einem einzigen Halbleiter erreichen könnte. Das damals geborene Forschungsfeld heißt heute 'Photovoltaik der dritten Generation'. Ihr ist das Buch von M. A. Green gewidmet. Als 'erste Generation' bezeichnet er die photovoltaische Umwandlung von Sonnenlicht mit Hilfe von Siliziumscheiben, während Photovoltaik der 'zweiten Generation' die Umwandlung auf der Basis von dünnen Filmen meint.
In neun Kapiteln beschreibt Green neue, Wirkungsgrad steigernde, physikalische Konzepte, welche die Verlustprozesse (i) und (ii) minimieren. Neben unkonventionellen Ideen wie das Ausnutzen von heißen Ladungsträgern, mehrfachen Bandlücken, der Anregung über Bandlückenzustände, die Thermophotovoltaik und Thermophotonik bespricht Green auch die Theorie klassischer Tandemzellen.
Dieses didaktisch brillant aufgebaute und in schnörkelloser, klar verständlicher Sprache geschriebene Buch glänzt vor allem durch eine korrekte thermodynamische Darstellung aller beschriebenen Effekte, ohne mathematisch überfrachtet zu sein. Die Bilder sind sauber und anschaulich, längere Rechnungen in Anhänge verschoben. Kleinere Schwächen in der Benutzung von Zitaten und der Definition von Größen sind leicht verzeihbar.
Ob Student, Hochschullehrer oder Ingenieur in der Praxis: Für jeden, der sich dafür interessiert, wie man den Wirkungsgrad von Solarzellen weiter steigern könnte, ist diese exzellente Buch ein Muss.
Prof. Dr. Jürgen H. Werner, Institut für Physikalische Elektronik, Universität Stuttgart
