Die Dünnschicht Zukunft der PV?

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1 Willkommen Welcome Bienvenue Die Dünnschicht Zukunft der PV? Thomas Feurer, Dr. Thomas Paul Weiss Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Empa, Überlandstrasse 129, 8600 Dübendorf

2 Inhalt Photovoltaik im Überblick und die Rolle der Dünnschichttechnologien Auf dem Weg zu hocheffizienten und flexiblen Solarmodulen Konzepte für Wirkungsgrade über 25 %

3 Inhalt Photovoltaik im Überblick und die Rolle der Dünnschichttechnologien Auf dem Weg zu hocheffizienten und flexiblen Solarmodulen Konzepte für Wirkungsgrade über 25 %

4 Potential der Sonnenenergie Global Sonne (Kontinente) Wind Biomasse Geothermik Ozean und Wellen Wasserkraft Jährliches Potential Jährliche Sonneneinstrahlung auf der Erde Kohle Erdgas Erdöl Nuklear Bekannte Reserven Globaler jährlicher Primär- Energieverbrauch Quelle: Solar Generation 6, EPIA, 2011

5 Kumulierte installierte PV Leistung (in GWp) Die Marktforscher rechnen damit, dass die weltweit installierte PV-Leistung bis Ende 2016 auf 321 Gigawatt steigen wird.» solarserver.de Alle Angaben in GWp Quellen: Solar Power Europe, Global Market Outlook for Solar Power published 2016

6 Jährliche installierte PV Leistung (in GWp) Alle Angaben in GWp Quelle: Solar Power Europe, Global Market Outlook for Solar Power published 2016

7 Kostenentwicklung von PV Anlagen Source: Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report Updated: 26 August 2015

8 Verteilung der verschiedenen Technologien Emerging Technologies Organic solar cells Single crystalline Silicon Polycrystalline Silicon η cell ~ 11.9% (AIST) 23.9% η cell ~ 25.6 % (Panasonic) 69.5% η cell ~ 21.3% (Trina Solar) Perovskites 0.9% Amorphous Si η cell ~ 13.6% (AIST) η cell ~ 22.1% (KRICT/UNIST) CIGS 1.7% 4.0% CdTe η cell ~ 22.8% (Solar Frontier auf Glas) η cell ~ 22.1% (First Solar auf Glas) Source: Green et al, PIP, 24, , 2016; Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report, (20 October 2016); NREL efficiency chart (Rev )

9 Dünnschicht PV: CIGS Hauptvorteile von Cu(In,Ga)Se 2 (CIGS): Flexible Substrate Tieftemperaturdeposition Low-cost Produktion Anpassungsfähigkeit des Absorbers (Bandlücke, Dotierung) Höhste Effizienz in der Dünnschicht Technologie (22.8% ) Energierücklaufzeit vergleichsweise gering

10 Dicke des Lichtabsorbierenden Materials >0.160 mm (160 µm) Dünnschicht PV Technologie Querschnitt eines Silizium Wafers Dünnschicht PV: Aktive Schicht 2-4 µm Zum Vergleich: Menschliches Haar aufgenommen mit einem Raster Elektronen Mikroskop

11 Dünnschicht Solarmodule: Glas vs. Folie Glas-Glas laminierte Module 3-4 mm Glas* Herstellung bei C Graue Energie im Glas 3-4 mm Glas* *Skaliert mit Faktor ~100 Quelle: Solar Generation 6, EPIA, 2011 EPBT für Installationen in Südeuropa mit 1700 kwh/kwp Sonneneinstrahlung pro Jahr

12 Dünnschicht Solarmodule: Glas vs. Folie Glas-Glas laminierte Module flexible und leichte Module Solarzellendicke ~4 µm 3-4 mm Glas* Prozess bei C Graue Energie im Glas 3-4 mm Glas* *Skalierungsfaktor~100 Prozess unter 500 C Module auf Kunststoff- oder Metalfolie Vorteile Sehr hohe Energiedichte Potential zur Reduktion der Energierückgewinnungszeit Rolle-zu-Rolle Produktion möglich Zusätzliche Einsatzgebiete: Solarstrom für mobile Anwendungen (z.b. Raumfahrt, Katastrophenhilfe )

13 Inhalt Photovoltaik im Überblick und die Rolle der Dünnschichttechnologien Auf dem Weg zu hocheffizienten und flexiblen Solarmodulen Konzepte für Wirkungsgrade über 25 %

14 Quelle: Feurer et al, Prog. Photovolt: Res. Appl. (2016). DOI: /pip.2811 Stand der Technologie ein Überblick Vacuum-based (direct growth) Effizienz [%] (Fläche [cm 2 ]) Depositionsmethode Firma Substrat Modul (M) Cell Submodul (S) Co-evaporation Manz - Würth Solar Glass M Co-evaporation Solibro (Hanergy) Glass M, 18.7 S Co-evaporation Siva Power Glass 18.8 Co-evaporation Flisom PI S Co-evaporation Global Solar Energy (Hanergy) SS S Co-evaporation Ascent Solar (TFG Radiant) PI M Sputtering, selenization & sulfurization Solar Frontier - Showa Shell Glass S, 14.6 M Sputtering & RTP (SEL-RTP process) Avancis (CNBM) Glass 17.9 Vacuum-based precursor Sputtering & selenization Miasolé (Hanergy) SS M Sputtering & selenization Midsummer SS 17.0 Sputtering, selenization & sulphurisation WonCIGS Glass 16.8 M Rapid diffusion annealing of precursor HULKet Glass 13.8 M Non-vacuumbased precursor Electrodeposition & RTP Nexcis Glass M Electrodeposition & selenization Solopower SS M

15 2-4 µm Cu(In,Ga)Se 2 (CIGS) Dünnschicht Solarzelle Material i-zno/zno:al CdS NaF Cu(In,Ga)Se 2 Mo Träger Substrat Methode Sputtern CBD PDT Co-verdampfen Sputtern

16 Agenda für weitere Effizienzsteigerung - CIGS Jsc [ma/cm 2 ] Voc [mv] FF [%] Empa Zelle auf PI SQ-limit (1.15 ev) Verluste zum SQlimit -17% -17% -9.3% Angestrebte Verbesserungen für CIGS (gegebenenfalls nur teilweise auf flexiblen Substraten): Eff [%] Jsc um ~10% Voc um ~9% FF um ~3% (38.5 ma/cm 2 ) (800 mv) (81%) Realistisches Ziel: CIGS mit 25 % Effizienz Aktuelle Forschung im HZ2020 Sharc25 Projekt mit 11 europäischen Partnern

17 Relative Concentrations [a.u.] Relative Konzentration [arb.u.] Energie Herausforderungen für den Absorber CIGS Verunreinigungen und Dotierung z.b.: O; K and Na Strukturelle Inhomogenitäten Grenzflächen Strukturelle Defekte Reinhard et al., Nano Let 15, 3334 (2015). Chirilă, A. et al., Nat Mater 12, 1107 (2013). ~3.5 µm 2nm Inhomogenitäten der Komposition Cu(In x Ga 1-x )Se 2 Elektronische Eigenschaften EDX Profiles [Ga] E c E g [Cu] E v E g, ΔV oben Top Bottom unten Distance across CIGS layer [µm] Tiefe in der CIGS Schicht [µm] Abstand

18 Inhalt Photovoltaik im Überblick und die Rolle der Dünnschichttechnologien Auf dem Weg zu hocheffizienten und flexiblen Solarmodulen Konzepte für Wirkungsgrade über 25 %

19 Warum über 25%? Kostenverteilung für private PV Anlagen Thermodynamische Verluste in PV Other costs Engineering procurement & construction Tandemsolarzellen Balance of systems Inverter PV module Moduleffizienz wichtig um Gesamtkosten zu reduzieren: Kosten/kWh Source: PV Status Report 2014, A. Jager-Waldau, JRC Reports A. Polman, H.A. Atwater, Nature Materials 11, (2012)

20 Ausnutzung des Sonnenspektrums Energie genutzt, aber nicht optimal ungenutze Energie

21 Energieniveaus 1.5 ev 1 ev Photovoltaik photovoltaischer Effekt Halbleiter AM1.5G 1.5 ev UV IR Bandlücke Spannung Strom Niedrig tief hoch Hoch hoch niedrig Elektron

22 Mehrschichtige Solarzellen

23 Konfiguration einer Tandemzelle 2-Leiter Tandemzelle 4-Leiter Tandemzelle + Weniger optische Verluste in Transparenten Kontakten + Nur ein Stromkreis - Benötigt Stromanpassung für alle Licht- Einfallswinkel - Energieverlust durch Variation in Temperaturkoeffizient und spektraler Effizienz + Beide Zellen operieren am optimalen Arbeitspunkt + Mechanisch einfaches stapeln möglich - Verluste durch zusätliche transparente Kontakte - Zwei Stromkreise

24 Theoretische Grenzen für tandem Solarzellen 2-Leiter 4-Leiter 42.2% 43.6% E G of state-of-the-art CIGS 43.8% 44.5% CIS - E G Perovskite adjusted E G E G of state-of-the-art Perovskite 29.8% 41.4% E G of state-of-the-art CIGS 38.0% 43.6% CIS - E G Perovskite adjusted E G E G of state-of-the-art Perovskite Maximale Effizienz berechnet im Gleichgewicht unter AM1.5G Beleuchtung und ohne optische Verluste

25 Transparente Top Solarzelle Semi-transparente Perovskite Solarzelle mit Wirkungsgrad über 16%

26 Perovskite CIGS Tandem Solarzelle 20.5% Perovskite-CIGS in 4-terminal tandem configuration Fu, F. et al. Low-temperature-processed efficient semi-transparent planar perovskite solar cells for bifacial and tandem applications. Nat. Commun. 6:8932 doi: /ncomms9932 (2015).

27 Zusammenfassung Dünnschicht Module: Vorteile in Produktion und Produkt Effizienz zentral für weitere Kostenreduktion von PV Anlagen Von der Zelle zum Modul: Anspruchsvolle technologische Herausforderungen Tandemzelle als möglicher Kandidat für Wirkungsgrade >25 %

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Acknowledgements EU-commission FP7 project «hipocigs» (project number: ) EU-commission FP7 project «R2R-CIGS» (project number: ) EU-commission Horizon 2020 project «Sharc25» (project number:641004) The Swiss National Science Foundation The Swiss Federal Office of Energy The Competence Center for Energy and Mobility in ETH Domain (DURSOL, CONNECT-PV) The Laboratory for Nanoscale Materials Science at Empa (SIMS, XPS) The Laboratory for Electronics/Metrology/Reliability at Empa (SEM) The Laboratory for Analytical Chemistry at Empa (ICP-MS) Flisom AG All current and former team members of Lab. for Thin Films and Photovoltaics at Empa Kontakt Laboratory for Thin Films and Photovoltaics Empa - Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology Überlandstrasse 129, 8600 Dübendorf, Switzerland