Photovoltaik. Herstellung und innovative Konzepte. Von Sebastian Illing und Nora Igel

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1 Photovoltaik Herstellung und innovative Konzepte Von Sebastian Illing und Nora Igel

2 Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte Inhaltsübersicht 1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion 1.2 Zellenproduktion Texturierung Dotierung Passivierung Metallisierung 2. Innovative Konzepte 2.1 Rückseitenzelle 2.2 Bifacial Zellen 2.3 Konzentratorzelle 2.4 Dünnschichtzellen 2.5 Tandem Zellen 2.6 Organische Zellen 2.7 Dritte Generation 2/33

3 1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion Schmelzflusselektrolyse T 1800 C Reinheit : 98% Schmelzofen zur Herstellung von metallurgischem Silizium Quelle: Bild [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik, Formel [2] 3/33

4 1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion Chemical Vapor Deposition (CVP) Siemens Prozess Anlage zur industriellen Abscheidung von Polysilizium Endprodukt: Si-Stäbe Quelle: [1],[2] 4/33

5 1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion Czochralski Verfahren Abb.1: Schematische Darstellung des Einkristallziehen nach Czochralski Abb.2: Fertiger Si-Einkristall nach Czochralski Quelle: Abb.1 [1], Abb.2 : Seilnacht Chemielexikon 5/33

6 1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion Zonenziehverfahren Abb.2: Float-zoning Abb.1: Schematische Darstellung des Zohnenziehverfahrens Dotierung: Phosphin, Diboran Quelle: Abb.1: [1], Abb.2: A. Pucci, Vorlesung Festkörperphysik SS08 6/33

7 1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion Herstellung von Si-Scheiben Verwendung eines Innenloch-Sägeblatts 50% Verluste 0,2-0,4 mm dicke Scheiben Drahtziehtechnik 35% Verluste Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik 7/33

8 1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion Blockgießen -Polykristallines Si - 30x30cm² (1) Quarztiegel (8) Graphittiegel Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik 8/33

9 1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion Folienmaterialien Silicon Sheet from Powder (SSP) Edge defined Film Growth (EFG) Quelle: EFG und SSP: [1], Foto: M. Zorsch, Fraunhofer THM, Freiberg, Grundmaterialien für die Photovoltaik 9/33

10 1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 10/33

11 1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion Texturierung Invertierte Pyramiden 20x20µm² Random Pyramids Quelle: [1], [2] 11/33

12 1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion Dotierung Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 12/33

13 1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion Dotierung Diffusionsprozess 2. Fick sches Gesetz Gauss - Verteilung Diffusionskoeffizient Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik 13/33

14 1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion Dotierung Theoretische Kurven Diffusionsquelle: Phosphorsilicatglas Phosphorprofile bei Diffusionstemperaturen von 950 C in Abhängigkeit der Diffusionszeit Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik 14/33

15 1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion Passivierung Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 15/33

16 1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion Metallisierung Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 16/33

17 1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion Metallisierung Siebdruckverfahren zur Aufbringung der Frontkontakte Lift-off Verfahren Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik 17/33

18 1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion Metallisierung Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 18/33

19 Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte Inhaltsübersicht 1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion 1.2 Zellenproduktion Texturierung Dotierung Passivierung Metallisierung 2. Innovative Konzepte 2.1 Rückseitenzelle 2.2 Bifacial Zellen 2.3 Konzentratorzelle 2.4 Dünnschichtzellen 2.5 Tandem Zellen 2.6 Organische Zellen 2.7 Dritte Generation Quelle: [10] Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme 19/33

20 2. Innovative Konzepte 2.1 Rückseitenzellen Vorteile: -Keine Abschattungsverluste -Metallkontakte großflächig geringer Widerstand -Wirkungsgrad 18.5 % Nachteile: -Hohe Diffusionslänge notwendig für geringe Oberflächenrekombination -Isolierung der Kontakte notwendig Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik 21/33

21 Innovative Konzepte 2.2 Bifacial - Zelle Vorteile: - Beidseitige Beleuchtung - Wirkungsgrad 20% auf Rückseite 21,4% Vorderseite Nachteil: - Hohe Anforderungen an Material und Technologie Erste Bifacial PV-Anlage in Aubrugg bei Zürich (120m) Bifacial-Zellen an der Fassade des ISFH Gebäudes Quelle: [6] TNC - Consulting AG, [7] R. Kohlbauer GmbH, [11] FVS Themen 2003, Pfof. Dr. Rudolf Hezel 21/33

22 2. Innovative Konzepte 2.3 Konzentratorzelle Grundprinzip der Konzentratorzelle Sharp-Konzetrator Modul: 500-fach Konzentriertes Licht η 40% Quelle: Links: [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe / rechts: Sharp 22/33

23 2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle Idee: - Verwendung direkter Halbleiter nur noch dünne Schichten Vorteil: - geringer Materialaufwand Kostenreduzierung Problem: - geeignetes Substrat notwendig Quelle: [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe 23/33

24 2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle Amorphes Silizium Atomistische Struktur von amorphem Silizium Struktur einer α-si Zelle mit intrinischer Schicht Vorteile: - kostengünstig - Energierücklaufzeit 2-3 Jahre - Abscheidung auf günstiges, flexibles Substrat Nachteil: - bescheidene Wirkungsgrade (4-8 % kommerziell) Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik 24/33

25 2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle Galliumarsenid GaAs + Bandabstand optimal (1,42eV) + absorbiert 90% des Lichtes in 2µm + hohe Wirkungsgrade (η 24%) - Ga und As toxisch - kostenintensiv Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik 25/33

26 2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle Kupfer Indium - Diselenid (CIS) Spitzenwirkungsgrade von CIS- Solarzellen und Modulen Problem: Indium geht zur Neige CIGS - Anlage auf einer Schule in Marbach a. N. Quelle: [3] FVS Themen 2003, Dr. Michael Powalla 26/33

27 2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle Kristallines Silizium -Silangas wird direkt auf Glas abgeschieden (nur 1,4 µm) - Laser trennen die Zellen - Kontakte auf Rückseite - Energierücklaufzeit 2-3 Jahre - keine toxischen Stoffe oder Schwermetalle - keine Degradation in über 30 Jahren Quelle: [9] CSG Solar AG 27/33

28 2. Innovative Konzepte 2.5 Tandemzelle Hintereinanderschalten von Zellen mit unterschiedlichem Bandabstand Für unendliches Tandem ergibt sich η 86% Quelle: [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe 28/33

29 2. Innovative Konzepte 2.6 Organische Solarzelle - sehr günstige Materialien - mechanische Flexibilität einfache Integration - keine Entsorgungsproblematik - Wirkungsgrad nur ca. 5% - Absorption führt nicht direkt zur Anregung von freien Ladungsträgern - Es werden Elektron-Loch Paare erzeugt Polymer- Fulleren-Solarzelle auf flexiblem Substrat Quelle: [5] Physik Journal 05/2008, [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe 29/33

30 2. Innovative Konzepte 2.7 Dritte Generation Thermo - Zelle Theoretischer Wirkungsgrad: η 85% Probleme: - Absorption im Interferenzfilter - thermische Stabilität Quelle: links: [4] Prof. Dr. Peter Würfel rechts: [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe 30/33

31 2. Innovative Konzepte 2.7 Dritte Generation Up/Down Konverterzelle -η > 60% für konzentriertes Licht -η> 45% für nichtkonzentriertes Licht Zwei - Stufen -Absorptionsprozess Quelle: [4] FVS Themen 2003, Prof. Dr. Peter Würfel 31/33

32 Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte Zusammenfassung Herstellungsprozess: 32/33

33 Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte Zusammenfassung innovative Konzepte: In Benutzung: - Rückseitenzelle - Bifacialzelle - Konzentratorzelle - Tandemzelle - Dünnschichtzellen - CSG Zellen In Entwicklung: - Organische Zellen Theoretische Konzepte: - Thermozellen - Up/Down Konverter 33/33

34 Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte Quellen [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik, Teubner 1997 [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe von 2005 [3] FVS Themen 2003, Dr. Michael Powalla: Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Verbindungshalbleitern [4] FVS Themen 2003, Prof. Dr. Peter Würfel: Neue Solarzellenkonzepte [5] Physik Journal 05/2008 [6] TNC Consulting (www.tnc.de) [7] R. Kohlbauer GmbH (www.kohlbauer.com) [8] Gebr. Schmid GmbH + Co., Automatisierte Prozessanlagen [9] CSG Solar AG (www.csgsolar.de) [10] Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiberg (http://www.ise.fraunhofer.de)

35 Photovoltaik Herstellung und innovative Konzepte Sebastian Illing und Nora Igel

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