Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

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1 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 7.1 Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2007/2008 Stand: Vorlesung Termin Thema Dozent Nr. 1 Di Einleitung/Wirtschaftliche Aspekte Lemmer 2 Fr Energiequelle Sonne Lemmer - Di Inauguration Karlsruhe School of Optics & Photonics Lemmer 3 Fr Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer 4 Di Kristalline Silizium-Solarzellen Lemmer 5 Fr Elektrische Eigenschaften Lemmer 6 Di Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer 7 Fr Anorganische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 8 Di Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 9 Di Third Generation Photovoltaics Lemmer 10 Di Photovoltaische Systeme I Lemmer - - Weihnachtsferien Lemmer 11 Di Photovoltaische Systeme II Lemmer 12 Fr Solarkollektoren Lemmer 13 Di Passive Sonnenenergienutzung 13 Di Solarthermische Kraftwerke Lemmer 14 Di Energiespeicher/Solarchemie Lemmer 15 Fr Kostenrechnungen zu Solaranlagen Lemmer 16 Di Energieszenarien Lemmer 17 Di Exkursion Lemmer

2 7.2 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien

3 Marktentwicklung der versch. PV-Technologien 7.3 Quelle: DGS 2007

4 Warum c-si und multi-si? hohe Wirkungsgrade - hohe Zuverlässigkeit, hohe Langzeitstabilität (> 20 J.) - reichlich Si vorhanden - nicht toxisch

5 7.5 Warum nicht c-si? Warum Dünnschicht? -c-si ist teuer - kostengünstigere Herstellung -c-si wird noch teurer, wenn der Bedarf nicht mehr durch Ausschuss von EG-Si aus der Mikroelektronik gedeckt werden kann (mittlerweile passiert) -c-si Technologie ist energieintensiv (Energierücklaufzeiten 6-8 Jahre) -großer Materialaufwand, Wafer sind -zu dick - kein großflächiger Prozess - geringere Energierücklaufzeiten -Schichtdicken im nm-bereich kontrollierbar - großflächige Deposition - monolithische Verschaltung -höherer Grad der Automatisierbarkeit der Prozesse

6 7.6 Energierücklaufzeit poly-si Quelle: Photon Dez. 2002

7 7.7 Energierücklaufzeit Dünnschicht Quelle: Photon Dez. 2002

8 Struktur c-si a-si 7.8 c-si: Nah- und Fernordnung a-si: nur Nahordnung

9 Elektronische Struktur in amorphem Si 7.9 Beweglichkeiten c-si: µ e =1100 cm 2 V -1 s -1 ; µ h =300 cm 2 V -1 s -1 Beweglichkeiten a-si:h: µ=2 cm 2 V -1 s -1

10 pin-solarzelle a-si:h die c-si Solarzelle beruht auf der Diffusion von Minoritätsladungsträgern L Diff (c-si)>200µm - L Diff (a-si:h) 150 nm - aber: Driftlänge 1 µm -Design der Solarzelle so, dass Absorption in der RLZ - dotierte Bereiche möglichst dünn pin-struktur

11 Solarzellen aus a-si:h Dotierung mittels Zugabe von B 2 H 6 und PH 3

12 Solarzellen aus amorphem Silizium 7.12 Abscheidereaktoren für die Herstellung von Solarzellen aus amorphem Silizium bei SchottSolar (

13 Solarzellen aus a-si:h superstrate -substrate

14 Legierbarkeit von a-si/ge/c:h: Multiple Zellen Beimischung von GeH 4 während der Abscheidung

15 7.15

16 Tandem-(Stapel-)solarzellen 7.16

17 Verschaltung von Tandemsolarzellen 7.17 Zweikontaktzellen: keine zusätzliche elektrischen Kontakte - Spannungen der Einzelzellen müssen sich addieren npnp

18 Verschaltung von Tandemsolarzellen 7.18 Zweikontaktzellen: keine zusätzliche elektrischen Kontakte - Spannungen der Einzelzellen müssen sich addieren npnp - Stromanpassung erforderlich (nur suboptimal möglich)

19 Vierkontakttandemsolarzellen 7.19

20 Vierkontakttandemsolarzellen 7.20

21 Tandemsolarzellen 7.21

22 Stabilität von a:si:h Staebler-Wronski-Effekt : licht- und ladungsträgerinduzierte Alterung durch Aufbrechen von Bindungen

23 7.23 Monolithische Verschaltung von Dünnschichtzellen

24 Monolithische Verschaltung 7.24 a-si:h-solarmodul

25 Roll to roll process (R2R) 7.25 Kontinuierliche Abscheidung auf flexiblen Substraten (Stahl, Polymer)

26 7.26

27 Roll to roll process (R2R)

28 kostengünstig + Energierücklaufzeiten 2-3 J. + ausreichend für viele Consumer-Anwendungen + Abscheidung auf kostengünstige und flexible Substrate - bescheidene Wirkungsgrade

29 Zwischen a-si und c-si: Das mikrokristalline Si (µc-si:h) Herstellung durch Dünnschichtprozeß (wie a-si:h), -aber vorteilhafte Eigenschaften eines Kristalls

30 7.30 c-si a-si:h

31 7.31

32 7.32

33 Tandemsolarzellen a:si:h/µc-si:h 7.33 Wirkungsgrade %

34 Polykristalline Dünnschicht-Silizumzellen 7.34

35 7.35 Borosilicate Glass 3mm Texture Coat Both Surfaces (Dipping)

36 7.36 SiN Borosilicate Glass 3mm Deposit Anti-Reflection Coating (PECVD)

37 7.37 Si SiN Borosilicate Glass 1.5 µm 3mm p+ p n+ Deposit Silicon Film (PECVD)

38 7.38 Si SiN Borosilicate Glass 1.5 µm 3mm 0 Crystallise Si

39 7.39 Si 1.6 µm 0 SiN Borosilicate Glass 3mm Anneal Defects

40 Si SiN Borosilicate Glass µm 3mm Hydrogen Passivation

41 7.41 Si SiN Borosilicate Glass 1.5 µm 3mm 0 Hydrogen Passivation

42 Einkristalline Dünnschichtzellen? 7.42

43 7.43 Chalkopyrite als Solarzellenmaterialien (I-III-VI 2 -Halbleiter) - niedrige Abscheidetemperaturen - geringe Oberflächenrekombination - hohe Absorptionskonstanten - geeignetes Bandgap - legierbar

44 7.44

45 7.45

46 7.46

47 7.47

48 Polykristalline CIS-Zellen 7.48

49 pn-heteroübergänge n-dotierung schwierig - Verwendung einer n-dotierten Fensterschicht (CdS)

50 pn-heteroübergänge ganz ähnliche Situation wie CdTe-Solarzellen

51 CIS: Herstellung der Absorberschicht 7.51

52 7.52

53 7.53 Idee zur weiteren Verbeserung: Chalkopyrit-Tandemzelle

54 Industrielle Aktivitäten CIS-Fertigung weltweit mit produktrelevanten Substratgrößen (2004) 7.54 Firma Fertigungsleistung in MWp/a Substrat Glas (m x m) Wirkungsgrad max/mittel Markt Shell Solar USA 3 0,3 x1,2 < 13% / 11% Ja Würth Solar Marbach 0.4 0,6 x 1,2 < 13% / 11,5% Ja Global Solar USA < 0.4 Metallfolie 1ft x.. ft (Rolle) 10% / 8% Militär (teilweise Consumer) Showa Shell Japan - 0,3 x1,2 14,2% / 11,8% Nein Honda Japan ,8 x 1,3 (0,2 x 0,2) / 10% Nein Sulfur Cell Berlin - 0,6 x 1,2 - Nein Shell Solar München - 0,6 x 1,2 13,1% / 12,2% Nein