Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2005/2006 Stand:

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1 Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2005/2006 Stand: Termin Thema Dozent Di Wirtschaftliche Lemmer/Heering Aspekte/Energiequelle Sonne Fr verschoben wg. Krankheit Di Allerheiligen - Di Symposium Automobile - Displaytechnik Fr Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer Di Kristalline pn-solarzellen Heering Fr Elektrische Eigenschaften Heering Di Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer Fr Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer Di Anorganische Lemmer Dünnschichtsolarzellen Di Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer Fr Third generation Photovoltaics Lemmer Di Photovoltaische Systeme I Heering Fr Photovoltaische Systeme II Heering Di Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien Di Passive Sonnenenergienutzung Heering Di Solarthermische Kraftwerke I Lemmer Fr Energiespeiche/Solarchemie Heering Di Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering Di Energieszenarien Lemmer Anfang Februar Exkursion Heering/Lemmer

2 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien

3 Marktentwicklung der versch. PV-Technologien Quelle: Sarasinstudie

4 Solarzellen aus amorphem Silizium Abscheidereaktoren für die Herstellung von Solarzellen aus amorphem Silizium bei RWESchottSolar (

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

6 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) - geringere Energierücklaufzeiten -Schichtdicken im nm-bereich kontrollierbar - großflächige Deposition -großer Materialaufwand, Wafer sind -zu dick - monolithische Verschaltung - kein großflächiger Prozess

7 Dünnschichtsolarzellen: Materialien JHW: Vielen Dank an Prof. Jürgen Werner, Uni Stuttgart für zahlreiche Grafiken in dieser Vorlesung. Weitere Grafiken entstammen einem Vortrag von Dr. Hannes Meier, Universität Neufchâtel, Schweiz.

8 Photovoltaik mit amorphem Silizium

9 Deposition von amorphem Silizium a-si Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)

10 Struktur c-si a-si c-si: Nah- und Fernordnung a-si: nur Nahordnung

11 Struktur c-si a-si Fehlende Fernordnung hat drastische Auswirkungen auf die elektronischen Eigenschaften: - keine Periodizität keine Bandstruktur kein indirekter Halbleiter mehr Erhöhung der Absorption

12 Elektronische Struktur von amorphem Si -Variation der Bindungslängen/Bindungswinkel/ Bindungsstärken Ausschmieren der Bandkanten, flache Störstellen -nichtabgesättigte Bindungen (dangling bonds) Zustände in der Mitte der Bandlücke

13 a-si/a-si:h -bei der Abscheidung wird prozessbedingt H in den Film eingebaut (amorphe Si/H-Legierung, a-si:h) -durch Optimierung der Wasserstoffkonzentration wird die Dichte der dangling bonds /deep traps minimiert -beste elektronische Eigenschaften für % H

14 Elektronische Struktur in amorphem Si 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

15 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

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

17 Solarzellen aus a-si:h -superstrate -substrate

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

19 Stabilität - Staebler-Wronski-Effekt : licht- und ladungsträgerinduzierte Alterung durch Aufbrechen von Bindungen

20 Monolithische Verschaltung von Dünnschichtzellen

21 Monolithische Verschaltung a-si:h-solarmodul

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

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

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

25 c-si a-si:h

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28 Tandemsolarzellen a:si:h/µc-si:h Wirkungsgrade %

29 Einkristalline Dünnschichtzellen?

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

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35 Polykristalline CIS-Zellen

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

37 CIS: Herstellung der Absorberschicht

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39 Idee zur weiteren Verbeserung: Chalkopyrit-Tandemzelle

40 Industrielle Aktivitäten CIS-Fertigung weltweit mit produktrelevanten Substratgrößen (2004) 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