Institut für Hochfrequenztechnik Technische Universität Braunschweig

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1 Institut für Hochfrequenztechnik

2 Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen Netzeinbindung von Photovoltaik Institut für Halbleitertechnik Bipolare II-VI Solarzellen Nano-Thermolektrik Institut für Hochfrequenztechnik Organische Photovoltaik

3 Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen Netzeinbindung von Photovoltaik Prof. Dr.-Ing. Michael Kurrat M. Kurrat TU Braunschweig Netzeinbindung von Photovoltaik

4 Photovoltaik Herausforderung für Niederspannungsnetze Erzeugung (PV) und Verbrauch (Haushalte) nutzen das Versorgungsnetz zu unterschiedlichen Zeiten Photovoltaikerzeugung ist von einer hohen Gleichzeitigkeit gekennzeichnet größere Maximalbelastung der Netze zu erwarten kw Stromverbrauch von 3 Haushalten (Anschlussleistung 30 kw) kw PV-Erzeugung von 3 Anlagen (Anschlussleistung 6 kw) Lastflussumkehr ist bereits zu beobachten Quelle: HTEE M. Kurrat TU Braunschweig Netzeinbindung von Photovoltaik

5 Ansätze für Systemdienstleistungen von dezentralen Erzeugungsanlagen Zahl der dezentralen Anlagen im elektrischen Versorgungsnetz nimmt zu (EEG). Wichtige Rolle spielen Photovoltaikanlagen < 30 kw aufgrund der fluktuierenden Erzeugung. 24 kv Dezentrale Erzeuger und Dezentrale Speicher 0,4 kv Quelle: HTEE Dezentrales Energiemanagementsystem ist eine weitere Option für einen netzorientierten Betrieb mit erneuerbaren Energien und dezentralen Erzeugern. Die Speicher können zur Fahrplangestaltung und zur Anpassung der Erzeugung an den Verbrauch genutzt werden. M. Kurrat TU Braunschweig Netzeinbindung von Photovoltaik

6 Energiemanagement im Experiment Ein effizientes Netz braucht verlässliche Partner. Energiemanagement ist eine Lösungsmöglichkeit. Dezentrale Erzeugung (Photovoltaik) Verbraucher (1 Haushalt) EMS Stromnetz M. Kurrat TU Braunschweig Leistungsbezug in steuerbaren Blöcken durch elektr. Speicher Netzeinbindung von Photovoltaik Quelle: HTEE

7 Erweiterung des netzorientierten Betriebes von Mini-BHKW auf PV- Anlagen BestPractice-Beispiel: Energiemanagement mit Mini-Blockheizkraftwerken Nutzung des thermischen Pufferspeichers Einsatz von IT-Technik zur Kommunikation mit den Erzeugern Transfer: Die Photovoltaik ist analog in das Energiemanagement einzubinden Fahrplan-Management Leistung Steuergerät IEC STOP STOP 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 Zeit in hh:mm Quelle: HTEE M. Kurrat TU Braunschweig Netzeinbindung von Photovoltaik

8 Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen Netzeinbindung von Photovoltaik Institut für Halbleitertechnik Bipolare II-VI Solarzellen Nano-Thermolektrik Institut für Hochfrequenztechnik Organische Photovoltaik

9 Bipolar II-VI Solar Cells : one successful example Institut für Halbleitertechnik Glass CdS CdTe commercialised by First Solar Inc. : 500 MW installed 2008 Glass CdS CdTe quasi-homoepitaxial type II p-n-transition inside a single crystal grain 16% efficiency under AM $/Watt manufacturing cost reached in 2008 complete recycling of Cd-compounds guaranteed 1000 MW production capacity planned in 2009 Can this be transfered to other/better bipolar II-VI semiconductors? Cu 2 O/ZnO Solar Cells 1.7% max reported efficiency in first devices (M. Izaki, et al Journal of Physics D, 2007)

10 DFG-SPP NanoThermoelektrik : Silicon Nanowires Institut für Halbleitertechnik Approximately 90 per cent of the world s power is generated by heat engines that use fossil fuel combustion as a heat source and typically operate at per cent efficiency, such that roughly 15 terawatts of heat is lost to the environment. Source: Nature 2008 heat loss in a computer chip exhaust gas system of a car brown coal plant

11 Nano-Thermoelectric Generators Institut für Halbleitertechnik R L heat sink α = Seebeck coefficient = eletrical conductivty = thermal conductivity - - n p + + heat source Nano-patterned Silicon for TEG 700nm diameter, 7µm high ZT is figure of merit for TEG standard High-ZT-Materials can not be used at high T silicon has low ZT due to high thermal conductivity silicon nano-patterning for drastic increase in ZT (*100) due to drastic decrease of thermal conductivity DFG SPP Nano-Thermoelectrics

12 Geothermie und Bohrtechnik (GEBO) Institut für Halbleitertechnik Drucksintern statt Kleben oder Löten Entwicklung einer Hochtemperatur-Aufbautechnik für elektronische und optoelektronische Komponenten im Bohrkopf für Temperaturen bis 250 C Entwicklung von hochtemperatur-tauglichen Vibrationssensoren

13 Solid State Lighting Institut für Halbleitertechnik wenig Einfluss des Substrats quasi Defekt-freies Material hohe Qaunteneffizienzen photonisches Engineering verbesserte Licht-Extraktion 3D NanoLEDs Entwicklung von GaN NanoLEDs für bessere Effizienz und niedrigere Produktionskosten Monalisa (BMBF) SMASH (EU) Nanostrukturiertes Substrat für NanoLEDs Thomas Swan GaN MOCVD zusammen mit: GaN LED Wafer

14 Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen Netzeinbindung von Photovoltaik Institut für Halbleitertechnik Bipolare II-VI Solarzellen Nano-Thermolektrik Institut für Hochfrequenztechnik Organische Photovoltaik

15 Polytronic Activities IHF OLED-Displays Group IHF Organic Lasers Group IHF Organic Electronics Group IHF Specialty Chemicals Group IHF Ceramic Semiconductors Group IHF Photovoltaics Group IHF Sensors Group

16 Organische Photovoltaik: Forschungsvernetzung Institut für Hochfrequenztechnik Michael Kröger, Antoine Kahn Princeton University BMBF-Spitzencluster Organische Elektronik Metropolregion Rhein-Neckar Eliteuniversität Heidelberg

17 Organische Photovoltaik: Kooperationspartner Institut für Hochfrequenztechnik

18 Organische Photovoltaik Energie aus Plastik BMBF Hightech Strategie Organische Photovoltaik: EPIO 13N10316 OPEG 13N9717 MESOMERIE

19 Beispiele für Donor/Acceptor Systeme P3HT e - Buckminsterfullerene PCBM Absorber Donor p-leiter N CuPC N N - N Cu(II) N e - C60 Akzeptor n-leiter N N - N Advanced Semiconductors Group

20 Excitonen Diffusion Freie Diffusionslänge für Exzitonen in P3HT: ca. 10nm Limit für nutzbare Absorptionslänge Akzeptor Donor Planare Heterostruktur Bulk Heterostruktur Ausbildung des Donor-Akzeptor Netzwerkes: Annealing Lösungsmittelexposition in-situ Ausbildung (spontane D/A Separation) Advanced Semiconductors Group

21 Phasenseparation im P3HT/PCBM Thermisch induzierte Phasenseparation Appl. Phys. Lett. 91, (2007) Advanced Semiconductors Group

22 Tandem Solarzellen Gestapelte organische Solarzellen verbesserte Abdeckung des Sonnenspektrums BMBF Hightech Strategie Organische Photovoltaik OPEG Advanced Semiconductors Group

23 OPEG Dye Sensitized Solar Cells Partners: Control of the surface electronic properties Control the charge transfer dynamics Cell efficiencies > 5 %

24 Semitransparente Organische Solarzellen Zelldesign Transparente Elektroden Transparente (TCO) Kontakte Integration einer Schutzschicht semi-transparent Licht Licht nicht transparent Appl. Phys Lett. (in press). 24

25 Semitransparente Organische Solarzellen transmittance [%] [nm] Transmission im roten Spektralbereich 80% Effizienz etwa 2 % Appl. Phys Lett. (in press). 25

26 Transparente OLEDs

27 Projekt: EPIO Entwicklung semi-transparenter organischer Solarzellen für Architektur + Design Semi-Transparente OPV in Kombination mit transparenter OLED

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: 28