Optimierung von Solarzellen mit Supercomputern

Transkript

1 Optimierung von Solarzellen mit Supercomputern eine Einführung in das comcigs-projekt, Johannes Windeln, Thorsten Mühge comcigs = computational materials science gestützte Optimierung des Wirkungsgrades von Dünnschichtsolarzellen Köln,

2 beteiligte Partner IBM: Gesamtleitung, Simulationen (Johannes Windeln, Thorsten Mühge, ) Schott AG Mainz: Herstellung Glassubstrat (Wolfgang Mannstadt) Uni Mainz: Simulationen (Tanja Schilling, Claudia Felser) HZ Berlin: Herstellung und Analyse Solarzellen (Reiner Klenk, Hans-Werner Schock) Uni Jena: Herstellung und Analyse Solarzellen (Heiner Metzner) Förderung auf 4 Jahre durch BMU (Förderkennzeichen ) 2

3 Die Vorgehensweise von comcigs Vorhersagen von Materialeigenschaften ab initio Computersimulationen Vorschläge neuer Materialien neue Fragestellungen an Simulationen Experimente mit neuen Materialien experimentelle Ergebnisse (Bestätigung der Simulationen?) 3

4 Warum sind Solarzellen wichtig? Rohstoffe gehen zur Neige (Kohle, Öl,...) ==> Erneuerbare Energien Energieverbrauch der Erde: 10 TW heute, 30 TW 2050 die meisten erneuerbare Energien können Beiträge im TW-Bereich leisten Potential Solarenergie: Sonneneinstrahlung auf der Erde beträgt TW! 4

5 Inhalt des Vortrags -Einführung zu Solarzellen -verwendete Simulationsmethoden -praktische Umsetzung und durchgeführte Rechnungen -offene Herausforderungen und Ausblick 5

6 Grundlagen: Die Physik von Solarzellen Beispiel: einfache Siliziumzelle 6

7 Bandstruktur einer einfachen Silizium-Solarzelle Bandlücke ist wichtiger Parameter des Absorbermaterials! 7

8 CIGS-Solarzellen 1.5µm bis 4.5µm 2mm Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme (HZB) 8

9 CIGS-Schicht Kupfer Indium/Gallium Sulfid/Selenid Cu In x Ga 1 x S y Se 2 y typisch: x=0.7, y=0 oder 2 polykristallin Bandlücke 1-2eV bessere Absorption als Silizium ==> 1/100 der Dicke nötig (Kostenfaktor!) 9

10 Bestimmung der Bandlücke durch Simulation Eigenschaften von Materialien werden simuliert z.b.: -Bandlücke mit Elektronenstrukturrechnungen oft schwierig Materialien exakt zu berechnen, Näherungen sind nötig, weil: -Atomanzahl 1023, das schafft kein Rechner! -genaue Wechselwirkung oft unbekannt Bandstruktur ist quantenmechanisches Problem Grundgleichung der Quantenmechanik: Schrödingergleichung (Differentialgleichung, die das System vollständig beschreibt): 10

11 Bestimmung der Bandstruktur von Festkörpern Ψ=EΨ H Elektron Elektron Elektron Elektron Kern Kern Kern =T Kern H T V V V kin kin Mean Field i =T klassisch V klassisch V XC V ext H V XC= Austausch-Korrelations-Potential (qm Effekte) 11

12 Beispiel einer Bandstruktur Bandstruktur von Silizium aufgetragen ist die Energie gegen die kvektoren Silizium ist ein indirekter Halbleiter mit Bandlücke ca. 1.1 ev Rechendauer: wenige Minuten 12

13 Warum Supercomputer? Dauer komplexe Rechnung: Tage und länger (keine obere Grenze) ==> viel Computerpower notwendig In Frage kommen: Workstations, Supercomputer, Cluster 13

14 IBM p590 Rechnungen auf IBM p590 64bit POWER5-Architektur GHz RAM: 130 GB OS: SLES 10 (SuSE Linux Enterprise Server) oder AIX 14

15 Erste Ergebnisse: Anion-Verschiebung Dai,

16 Wie helfen Simulationsergebnisse bessere Solarzellen zu produzieren? z.b.: Versteht man, welche Faktoren entscheidend sind für die guten elektronische Eigenschaften von CIGS, so kann man -diese Faktoren gezielt beeinflussen (durch Verwendung anderer Materialien) -teure Materialien (Indium/Gallium) durch geeigneten Ersatz austauschen 16

17 Ausblick viele offene Herausforderungen bei Berechnung von CIGS geplant: Kombination aus verschiedenen Simulationsmethoden -Elektronenstrukturrechnungen (Wien2k) -Molekulardynamik (Car-Parrinello) -Monte Carlo-Simulation Ziel: realistische Beschreibung von CIGS 17

18 Vielen Dank an BMU (Förderung) IBM Schott AG Uni Mainz HZ Berlin Uni Jena (Projektpartner) insbesondere: Johannes Windeln, Tanja Schilling, Claudia Felser und Ihnen, für ihre Aufmerksamkeit! 18

19 Verlustmechanismen 19

20 Shockley-Queisser-Limit Thermalisierungsverluste genutzter Anteil Verluste durch Nicht-Absorption Frank Boosgraf, AIP, 2005 Shockley-Queisser-Limit für einfache Siliziumzellen: ηmax=31% 20

21 Bandstruktur ZnO: Transparente Frontelektrode (durchsichtig, gute Leitfähigkeit) CdS: Pufferschicht ODC: ordered defect compound, in diesem Bereich Abweichung von der CIGSKristallstruktur CIGS: Absorber 21

22 Bandstruktur p-n-übergang Zustände an Grenzflächen ==> Verluste durch Rekombination 22

23 Eckdaten von CIGS-Zellen Produktionskosten 1.5 / Wp CIGS polykristallines Silizium 23 Modul-Wirkungsgrad 11% 3.3 Jahre 13% (5 MWp/a Werk) 1.0 / Wp CIGS (Prognose) Quelle Energy Payback Time 1.8 Jahre (100 MWp/a Werk) 1.2 / Wp N. Meyer et al., Tow ards thin f ilm module K. Knapp, T. Jester, Empirical investigation B. Dimmler et al., CIS solar modules: production using a simplif ied CIS process, Poc. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conf., Paris, June 7-1, of the energy payback time f or photovoltaic modules, Sol. En., 71 (2001) 165 pilot production at Wuerth Solar, Proc. 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Lake Buena Vista, January 3-7, 2005

24 Die Zukunft der Photovoltaik weltweiter Marktwert von Photovoltaiksystemen (moderates Szenario der EPIA Studie 2007) Jahr Milliarden pro Jahr Produktionskapazität in GWp pro Jahr benötigte durchschnittliche Leistung Deutschland 2007: 450 GW Marktwert und Produktionskapazitäten steigen dramatisch an ==> signifikanter Beitrag zu weltweiter Energieproduktion 24

25 Vereinfachung des Hamiltonoperators Born-Oppenheimer-Näherung: leichte/schnelle Elektronen <==> langsame/schwere Kerne Kern ==> halte Kerne fest: T kin =0, Kern V =const umschreiben als Ein-Teilchen-Hamiltonoperator i =T klassisch V klassisch V XC V ext für Teilchen i gilt: H V XC= Austausch-Korrelations-Potential (qm Effekte) V ext =V Elektron Kern 25

26 Hohenberg-Kohn-Satz Hamiltonoperator ist Funktional der Grundzustands-Elektronendichte ρ (==> 3 Ortskoordinaten). Phys. Rev. 136, Nr. 3B (1964) [ ρ ]=T klassisch [ ρ ] V klassisch [ ρ ] V XC [ ρ ] V ext [ ρ ] H Problem: VXC ist unbekannt 26

27 Austausch-Korrelations-Potential Annahme für VXC (Local Density Approximation): V XC [ ρ ]= ρ r V XC ρ r d r heg heg V XC = Austausch-Korrelations-Potential des homogenen Elektrongases oder: Generalised Gradient Approximation Je nach Problem verschiedene VXC sinnvoll! 27

28 Selbstkonsistente Lösung T kl. [ ρ ] V kl. [ ρ ] V XC [ ρ ] V ext [ ρ ] Φi =E i Φi 2 ρ= Φi Φi =Ein-Teilchen-Wellenfunktion Problem muss selbstkonsistent gelöst werden, d.h. 1: starte mit geratenem ρ0 2: berechne Φi aus Schrödingergl. 3: berechne neues ρ aus Φi 4: neues und altes ρ gleich? -ja: fertig -nein: weiter mit Schritt 2 28