Die Zukunft der Photovoltaik

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1 Die Zukunft der Photovoltaik Eicke R. Weber Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und Albert Ludwigs Universität, Freiburg

2 Wir stehen vor der Herausforderung, unser globales Energiesystem fundamental umzustellen: Schutz der natürlichen Lebensgrundlagen der Menschheit durch Senkung der CO 2 Emissionen zur Stabilisierung des Erdklimas Endlichkeit von fossilen Energieträgern Reduktion von geopolitischen Konfliktpotenzialen

3 Globale Klimaveränderung CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre heute schon bei 385ppm, weit über 280ppm, dem höchsten Wert der letzten Jahre. Klimageschichte der letzten Jahre Zeit vor heute (Jahre) Holozän Anstieg auf 500ppm bereits unvermeidlich, noch höher ohne drastische Maßnahmen. Dramatische Temperaturerhöhung über 2 o C droht, vielleicht gefährlicher: das Ende des Holozäns, der Periode der Klimastabilität in den letzten Jahren. Wir erleben das Ende des Holozäns durch menschlichen Einfluss, und den Beginn des Anthropozäns, den wir noch nicht kennen!

4 Knappheit fossiler Brennstoff: Beispiel Öl Bekannte Ölvorräte reichen bei heutiger Verbrauchsrate noch für Jahre Im Jahr 2008: Ölnachfrage von bereits 96 Mio. Fass pro Tag, bei Fördermenge von 95 Mio. F/T Fördermenge Eine Erhöhung der Förderate über 100 Mio. Fass pro Tag erscheint unmöglich Deshalb wird ein Anstieg der Ölpreise über $ 100/Fass, bald auch über $ 150/F und $200/F erwartet

5 Der Weg in eine erneuerbare Energien Zukunft Energieeinsparung - Energieeffizienz in Produktion, Verkehr, Gebäuden Kernkraft - nicht-erneuerbar, ungeklärte Endlagerung, Risiken bei Betrieb Wind - sehr nützlich, aber fluktuierend, Zahl guter Standorte limitiert Wasser - Grundlast, instantan ein- und auszuschalten, Energiespeicher Geothermie - Grundlast, standortabhängig Biomasse - interessant für Biofuels; Erzeugung ineffizient (Photosynthese) Solarenergie (Solarthermie, Photovoltaik) - praktisch unlimitierte Energiemenge, Solares Heizen und Kühlen: Ersatz von Primärenergie PV: kontinuierliche, starke Preisreduktion durch Massenproduktion!

6 Größenordnung der Solarenergie Die von der Menschheit jährlich verbrauchte Energiemenge wird von der Sonne jede Stunde auf die Erde geliefert. Die Sonneneinstrahlung auf die Erde entspricht TW. Globaler Energieverbrauch: heute 15TW, im Jahre 2020: 20TW! Quelle: G.W. Crabtree and N.S. Lewis, Physics Today, März 2007

7 Solarenergie ist die einzige Energieart, die das Energieproblem der Erde lösen kann!

8 Energiekonversion auf der Basis von Sonnenenergie, Beispiele Stromerzeugung Photovoltaik Solarthermische Kraftwerke Wärme- und Kälteerzeugung Thermische Solarkollektoren Solare Kühlung Solares und energieeffizientes Bauen Treibstoffe und Äquivalentes Elektrische Energie für mobile Speicher Bio-Treibstoffe Wasserstoff (oder H 2 -Derivate) Bild:

9 Exemplarischer Pfad, globaler Primärenergieverbrauch Geothermie Andere Erneuerbare Solarthermie (nur Wärme) Solarstrom (PV und solarthermische Kraftwerke) Wind Biomasse (modern) Biomasse (traditionell) Wasserkraft Kernenergie Gas Kohle Öl EJ/a Jahr TW Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen, 2003,

10 Regenerativer Energiemix, Säulen der zukünftigen Stromversorgung Solarenergie PV und Solarthermie Wind Wasser, Geothermie, Biomasse

11 Flächenbedarf für solare Elektrizität Flächenbedarf um künftigen Weltbedarf von 20 TW durch PV zu erzeugen: 6 Gebiete je 3.3 TW. je 340 x 340 km 2 (1600h/a, 15% Effizienz) PV kann einen wesentlichen Teil des Weltenergiebedarfs erzeugen

12 Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Institutsleiter: Prof. Eicke R. Weber Mitarbeiter: 880 Budget 08: 52,4 Mio EUR Gegründet: 1981

13 Geschäftsfelder Fraunhofer ISE Silicium-Photovoltaik (mit CSP Halle, THM Freiberg) Hocheffizienz und low-cost Produktionstechnologien, umg-si Alternative Photovoltaik-Technologien CPV, organische, Farbstoff - Solarzellen Solarthermie CSP, niedrig-t solarthermische Systeme Angewandte Optik und funktionale Oberflächen Energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik Regenerative Stromversorgung Wechselrichter, smart grid, netzferne Systeme, e-mobility Wasserstofftechnologie

14 Photovoltaik QuickTime and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture.

15 PV-Installation 2008: 6 GW Modules shipped MW p 5000 newly installed in Germany newly installed worldwide Source: EPIA, BSW

16 Entwicklung des globalen Photovoltaik-Marktes bis 07 Thin-Film Mono-Si Multi-Si Ribbon-Si 3 GW p First 20% Mono-Si production cell (100cm²) Renewable Energy law, D Residential root program, JPN 1990: 1/3 thin-film, c-si, ms-si 2007: > 90% c-si & mc-si! First 20% Mono-Si lab cell (4cm²) 1980

17 Preis-Lernkurve von PV-Modulen aus kristallinem Si [ /W p ] η cell [%] = % (25%) (30%) d [μm] = Graph: G. Willeke, ISE Installierte Peak Leistung (kumuliert) [GWp]

18 Preisentwicklung Photovoltaik-Systeme in Deutschland 100% 95% 96,0% 91,4% Preisindex PV-Systeme 90% Durchschnittliche Reduktion: 12,6%/Jahr 85% 80% 75% 70% 2007: - 9,3% 89,0% 87,9% 87,1% 86,1% 85,5% 85,1% 84,3% 2008: - 3,2% 78,4% 72,4% 65,3% Durchschnittlicher Preis für ein PV-System <100 kwp: 3260 /kwp (fertig installiert ohne MWSt.) 65% 60% 55% 50% Q Q Q Q Q Q Q Q Q (bis Q3): - 22,6% Q Q Q Q Q Quelle: BSW-Solar, repräsentative Umfrage bei 100 Handwerksbetrieben durch EUPD-Research

19 Weg zur Grid Parity in Deutschland

20 Zellstrukturen für hohe Effizienzen PERC/PERL Metal Wrap Through Emitter Wrap Through Back Junction / Interdigitated contact + Wirkungsgrad- Weltrekord mono/multi Si + dominierende Kontakt-Struktur - Busbar vorne - feinste Kontakte notwendig + sehr gute Eignung für große Zellen + Modulverschaltung - feinste Kontakte notwendig - keine passivierten Solarzellen bisher PV-TEC 12/04-06/07 MASSE 04/08-03/11 + sehr gute Eignung für Difflänge ZellDicke + hohe Wirkungsgrade demonstriert - komplexeste Struktur - Rückkontaktfingerleitfähigkeit / Zellgröße + hohe Wirkungsgrade in Produktion + relaxierte Strukturanforderungen - Difflänge» ZellDicke (n-typ) notwendig - Rückkontaktfingerleitfähigkeit / Zellgröße ALBA 04/07-12/08 QUEBEC 05/05-08/07

21 Laser Fired Contacts LFC with local Al-BSF Laser Rotating mirror Focussing lens Simple method to produce locally alloyed Al contacts On-the-fly processing with mirror scanners: > contacts/s Contactless in-line process Si-Wafer with Al-Layer Source: A. Grohe et al., in Proc 21st EU-PVSEC (Dresden, 2006)

22 Hocheffiziente Rückseitenkontakt-Solarzelle mit Laser Technologie n-typ Siliciumwafer D. M. Huljić et al, in Proc. of the 21st EU PVSEC, (Dresden,2006)

23 Höchsteffiziente dünne Laborzelle aus monokristallinem Silicium Waferdicke = 42 μm Wirkungsgrad = 20,2% (1 cm 2 )

24 Höchsteffiziente dünne Laborzelle aus multikristallinem Silicium Waferdicke = 99 μm Wirkungsgrad = 20,3% (1 cm 2 ) Plasma-texturierte Oberfläche Laser-fired contacts (LFC) Thermisches Oxid

25 Von Quartz und Kohle zum metallurgischen Si (mg-si) Raw material C SiO 2 Consumable electrodes Electric energy Filter Cleaned gas 1 Mio. t/a 1 $/kg Charge material Source: RW silicium Liquid metal Refining Crater Recovered energy Silica Source: Solidification Sizing Crushing B. Ceccaroli and O. Lohne Silicon Source: Elkem

26 Vom mg-si zum hochreinen poly-si: der Siemens Prozess mg-si Pulver Abgase (SiHCl 3, SiCL 4, H 2, Metall Chloride) ca t/a ca. $100/kg Heisser Si Staub Quartz Rohr Heizelemente HCl Fluidised Bed Reaktor Fraktionierte Destillation Alternative für PV: gereinigtes metallurgisches Si - pmg (umg)-si

27 Physicochemically purified feedstock: upgraded mg-si Typical throughput: approx t/a mg-si SiO 2 + C Si + CO 2 Quartz SiO 2 Source: Elkem 2-3 times, Si in liquid or solid phase Coal Ultrahigh temperatures (therm./plasma) Slag treatment Segregation Leaching Source: RW Silicium Wood chips Carbothermic reduction mg-si Reduction dopants Reduction metals umg-si < 99,5% 99,999% Slide courtesy of S. Reber

28 Silicon feedstock material Semiconductor-grade Si: Siemens process, Si distilled in gase phase; B, P: well controlled, metals in ppb and below range Solar-grade Si: purified via gas phase, simple crystallization; B, P: well controlled, other impurities around&below ppm range Upgraded metallurgical Si: Dopants reduced in liquid phase; B,P: reduced just as needed, other impurities in ppm range Metallurgical Si: 98% to 99.9% pure, metallic conductivity, impurities in several-ppm and more range

29 Transparente Dünnschichtmodule auf a-si Basis Quelle: Schott Solar

30 Organische Solarzellen

31 Hocheffiziente gestapelte Solarzellen 1600 Leistungsdichte [W/m 2 µm] Wellenlänge [nm] AM15 GaInP GaInAs Ge

32 Tandem (3 - jct.) PV Zellen für optische Konzentration: front contact Ga 0.65 In 0.35 P tunnel diode Ga 0.83 In 0.17 As tunnel diode Ge ARC n + -AlInP - window layer n-gainp - emitter GaInP - undoped layer p-gainp - base p + -GaInP - barrier layer p + -AlGaInP - barrier layer p ++ -AlGaAs n ++ -GaAs or GaInP n + -AlGaInP/AlInAs - barrier layer n-gainas - emitter GaInAs - undoped layer p-gainas - base p + -GaInAs - barrier layer p + -AlGaInAs - barrier layer p ++ -AlGaAs n ++ -GaInAs n-graded Ga 1-x In x As buffer layer p-ge substrate (100) cap layer 1.8 ev 1.3 ev n- doped window- and nucleation layer n-ge diffused emitter 0.7 ev rear contact

33 ISE Weltrekord für metamorphe 3- jct. Solarzellen (Jan. 2009) 0,4 Current [A] 0,3 0,2 0,1 0, Ga 0.35 In 0.65 P/Ga 0.83 In 0.17 As/Ge C = 454 x, T = 25 C (C = 1: AM1.5d, ASTM G173-03, 1000 W/m²) I SC = ma V OC = 2867 mv FF = 87.2 % A = cm² η = 41.1 % Voltage [mv]

34 Konzentrierende PV: CPV Produktion von FLATCON Concentrix Solar Source: Concentrix Solar, 2008; 70 Watt Module Source: Concentrix Solar, 2007, 5.75 kw system

35 Ein wichtiger Vorteil von CPV-Kraftwerken: Land Nutzung

36 Dünnschicht-Solarzellen: Beispiel CuInS (CIS)

37 Segmentierung der Solarzellen Effizienzenz 1-5 %: Organische-, Farbstoff-, Nanostruktur- Solarzellen 6-11%: Dünnschicht Zellen (a-si, mikrokristallines-si, CIS, CIGS, CdTe) 14-18%: multikristalline-, einfache kristalline-, umg- Si Zellen 20-24%: Hocheffizienzzellen, i.w. kristalline-si Zellen %: Hocheffiziente III/V Tandem Zellen für Konzentratoren mit 25-28% Moduleffizienz

38 The 3 generations of photovoltaics Quelle: The Future of Thin-film Solar Cells, Martin A. Green

39 Solarthermische Kraftwerke

40 Kollektortechnologien C ~ kommerziell η a ~ 12%-14% LEC2020 ~ 5ct/kWh C ~ demo η a ~10%12% LEC2020 ~ 5ct/kWh C ~ demo η a ~ 14%-18% LEC2020 ~? C ~ komm. demo η a ~ 10%-15% LEC2020 ~ 5ct/kWh

41 Desertec - Vision eines Stromverbundes

42 Zusammenfassung Wir stehen vor einem Paradigmenwechsel in unserem Energiemix, hin zu CO 2 - freien, erneuerbaren Energien Dies erfordert die richtigen politischen Rahmenbedingungen (z.b., EEG) sowie konzentrierte F&E Anstrengungen für Energieeffizienz-Technologien und preiswerte erneuerbare Energien Deutschland und Europa haben eine weltweit anerkannte Spitzenstellung in diesen Gebieten erreicht, die nur durch bewusste Förderung werden kann.

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44 QuickTime and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture.

45 PV Rentabilitätsrechnung auf einem Bierdeckel: Kosten der PV Anlage installiert ca. 3600/kW p Ertrag in Bitterfeld (30 o Süddach): ca. 900 kwh/jahr Einspeisevergütung: 900 x 0,43 = 396/Jahr Entspricht ca. 11%/Jahr! Eine solche Rendite boten früher nur Banken in Island an...

46 Zusammenfassung Der globale Solarenergiemarkt wird rasch auf mehrere 100 Mrd/a wachsen Basis sind effiziente Markteinführungsunterstützung (z.b., EEG) und rasante Technologieentwicklung zu höheren Effizienzen und niedrigeren Kosten Die augenblickliche Krise wird zu schnell sinkenden Kosten der PV und damit zu noch besseren Marktmöglichkeiten in der nahen Zukunft führen Die Schere zwischen sinkenden Kosten für Solarenergie und steigenden Kosten fossiler Energie wird sich zugunsten der Solarenergie öffnen