Herausforderungen an photovoltaische Dünnschichttechnologien

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1 Herausforderungen an photovoltaische Dünnschichttechnologien Frank Nüesch Abteilung Funktionspolymere Empa 8600 Dübendorf CCEM evaluation, Dübendorf,

2 Übersicht Wo können wir die Photovoltaik heute einsetzten? Ist Photovoltaik zu teuer? Förderung der Photovoltaik Dünnschichttechnologien im Rennen Forschung und Entwicklung an der Empa

3 Temperatur = 6000 C Distanz Sonne-Erde = 150 mio. km Strahlungsdichte Erdoberfläche = ca W/m 2 = 8760 kwh/jahr m 2

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5 Umwandlung von Licht in Strom Wirkungsgrad = Produzierte Elektrische Leistung Eingestrahlte Sonnenleistung Der maximale theoretische Wirkungsgrad für die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität beträgt 85%! Nicolas Léonard Sadi Carnot ( ) Joseph Stefan ( )

6 Wafer-Technologie Schichtdicke: ca. 200 m Zell-Wirkungsgrad: max = 20-22% Monokristallines Si- Modul ( max = 13-15%) Polykristallines Si- Modul ( max = 12-14%) Systemwirkungsgrade variieren sind zwischen 10-12%

7 Kann man damit einen nützlichen Strombeitrag leisten? Elektrizitätsverbrauch (mittleren Familie): 4000 kwh/jahr Mittlere jährliche Sonneneinstrahlung (Mittelland): 1100 kwh/m 2 Jahr Wirkungsgrad der Anlage: 11% 4000 Benötigte Anlagenfläche: A = : 33 m % Preis der Anlage installiert im 2008 (netzgekoppelt, CHF / m 2 )*: Preis pro kwh (Laufzeit 20 Jahre ohne Kapitalisierung!): * IEA-PVPS T1-17: Rp. (+ 7 Rp. Netz)

8 Fördermechanismen in der Schweiz Einspeisegesetz des Bundes (ab 1. Mai 2008): 75 Rp./kWh Kantonale Steuervergünstigung 10% - 30% an Investitionen Vergünstigte Kredite (Bonus) 0.5% - 1% Zusätzliche Förderung durch Gemeinden, Städte, Kantone Zinsfreie Kredite für Bauern und Landwirtschaftsbetriebe

9 Netzparität

10 Im 2008 waren total 48 MW p photovoltaische Leistung in der Schweiz installiert: Dies entspricht etwa 1 des Energieverbrauchs in der Schweiz Für eine großflächige Verbreitung der Photovoltaik müssen die Kosten noch gesenkt werden

11 Vorteile der Dünnschichttechnologien Dünnschichtsolarzellen verbrauchen weniger Rohmaterial (a- Si: ca. 1 m, c-si: ca. m 200 ) Günstige, grossvolumige Herstellverfahren Energetische Amortisation < 1 Jahr Dünnfilmzellen sind effizienter in der Umwandlung von diffusem Licht Dünnfilmzellen können auf Plastiksubstraten aufgebracht werden und sind leicht und biegbar Mit leichten, flexiblen Modulen können neue Märkte erschlossen werden

12 Bewährte und marktreife Dünnschichttechnologien Amorphes und mikrokristallines Silizium: a-si, mc-si: 7 9% Chalkogenide Halbleiter: CIGS, CIS, CdTe: 8-11% Farbstoffsolarzellen 3-5% Organische Solarzellen = 2-3%

13 Dünnschicht Technologien erobern den Markt PV Modulproduktion (MW p ) Quelle: IEA-PVPS T1-17:2008

14 Förderung der Forschung und Entwicklung in der Schweiz Materials Science & Technology und weitere

15 Dünnschicht Solarzellen/Module: Forschung und Produktion Materials Science & Technology VHF Tec. SA und weitere

16 Empa Forschungsaktivitäten in der Photovoltaik Organische Solarzellen, Farbstoffsolarzellen (Abteilung Funktionspolymere) Chalkogenide Dünnfilmsolarzellen (Abteilung Dünnfilme und Photovoltaik, Empa Dübendorf) Nanodrähte für Solarzellen (Abteilung Werkstoff und Nanomechanik, Empa Thun) Lebenszyklusanalyse (Abteilung Technologie und Gesellschaft, St. Gallen)

17 Photovoltaische Wandlung mittels Halbleitermaterialien Leitungsband = s Lebensdauer = 10-3 s s Elektron- Loch Paar Bandlücke Valenzband Metalle (Aluminium, Silber Eisen etc.) Halbleiter (Silizium, Chalkogenide GaAs, Organische Materialien)

18 Chalkogenide Dünnfilmsolarzellen: Cu(In,Ga)Se 2 Laborzellen auf Glas: Max % (CIGS) Laborzellen auf Polymersubstrat 14.1% (Weltrekord) Quelle: Empa, Abteilung Dünnfilme und Photovoltaik 18

19 CdTe Dünnfilmsolarzellen auf Polymersubstraten Laborzellen auf Polymersubstrat 12.4% (Rekord) Quelle: Empa, Abteilung Dünnfilme und Photovoltaik

20 Photographische Farbstoffe als Halbleitermaterialien für Solarzellen Extrem starke Absorption Absorption vom Ultraviolett zum nahen Infrarot Synthetisch zugänglich (auch in grösseren Mengen) Kostengünstig (ca. 1% des Preises für Standardmaterialien) Gut löslich in verschiedenen Lösungsmitteln (kostengünstige Beschichtungsverfahren)

21 Absorptionseigenschaften Absorption Silizium Sonnenemission Strahlungsdichte (W/m 2 nm) Wellenlänge (nm) T. Geiger, H. Benmansour, B. Fan, R. Hany, F. Nüesch Macromol. Rapid Commun., 29, (2008)

22 Hauchdünne Schichtbauweise - Pol Mit 1g Cyaninfarbstoff können ungefähr 10 m 2 Solarzellenfläche beschichtet werden Lichtteilchen Die Dicke der aktiven Schichten entspricht ca. 1/1000 der Dicke eines menschlichen Haares Transparente Elektrode Elektronen Donor Elektronen Akzeptor Aluminium - Pol ~30 nm ~70 nm

23 Organische Cyaninsolarzellen Stromdichte (ma/cm -2 ) (0.01%) 2006 (0.1%) (1.2%) 2009 (>3%) Spannung (V) > 3% : Rekord für Beschichtungen mit kleinen löslichen Molekülen B. Fan, R. Hany, J. E. Moser, F. Nüesch, Org. Electronics, 2008, 9, B. Fan et al., 2009 submitted

24 Leitfähige und transparente Gewebeelektrode/Substrat Flexibles Gewebe statt leitfähigem Glas Materials Science & Technology F. A. Castro, R. Hany, P.Chabrecek, F. Nüesch, Phys. Stat. Solidi, RRL, published online 2009

25 Squarainfarbstoffe für Farbstoffzellen N O - O HO O N nm N O - O HO O N + Laborzellen erreichen 5.4% 688 nm Thomas Geiger, Simon Kuster, et al., Advanced Functional Materials,19, (2009)

26 Markteinstieg der Farbstoffzelle steht vor der Türe Dyesol Australien Empa/Solaronix SA Schweiz Solaronix SA Schweiz G24 Innovations Limited UK Sony Deutschland 3GSolar Israel

27 Schlussfolgerungen Die Zukunft der Dünnschichtphotovoltaik ist vielversprechend Beträchtliche Preissenkungen können durch kostengünstige Herstellungsverfahren (Rolle-zu- Rolle Verfahren) erreicht werden Die Schweiz ist in Forschung und Entwicklung an der Weltspitze Synergien innerhalb der Schweiz bauen sich aus Förderung der Photovoltaik ist wichtig, damit die Schweiz im Rennen bleibt

28 ¼ der Erdbevölkerung hat keinen Zugang zu Strom