Solare Energiesysteme: Status quo und Ausblick

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1 Solare Energiesysteme: Status quo und Ausblick Eicke R. Weber Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und Fakultät für Mathematik und Physik, und Fakultät für Angewandte Wissenschaften, Albert Ludwig Universität, Freiburg

2 Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Institutsleiter: Prof. Eicke R. Weber Gegründet: 1981 Mitarbeiter: ca. 690 Budget: 42,3 Mio EUR (2007) Grundfinanzierung: 15% Industriemittel: 39%

3 Gründe für die Notwendigkeit einer Transformation der globalen Energiesysteme Schutz der natürlichen Lebensgrundlagen der Menschheit Klimawandel ist langsame Erwärmung der Erde, plus katastrophale Unstabilität des Klimas, das Ende des Holozäns! Begrenzte Verfügbarkeit von nichterneuerbaren Energien Wir haben bereits den Gipfel der Ölexploration erreicht, und werden bald den Gipfel der Ölförderung überschreiten!

4 CO 2 -Reduktionspotentiale Energieeinsparung - Energieeffizienz in Produktion, Verkehr, Hausbau Kernkraft - nicht-erneuerbar, ungeklärte Endlagerung, Risiken bei Betrieb Wind - sehr nützlich, aber fluktuierend, Zahl guter Standorte limitiert Wasser - Grundlast, instantan ein- und auszuschalten, Energiespeicher Geothermie - Grundlast, standortabhängig Biomasse - interessant für Biofuels; Erzeugung ineffizient (Photosynthese) Solarenergie (Solarthermie, Photovoltaik) - praktisch unlimitierte Energiemenge, Solares Heizen und Kühlen: Ersatz von Primärenergie PV: kontinuierliche, starke Preisreduktion durch Massenproduktion!

5 Nachhaltiges Potential erneuerbarer Energiequellen, Beispiele: moderne Biomasse Wind * Wasser Sonne Erforderlich 2020: 100 EJ/a 140 EJ/a 15 EJ/a quasi unbegrenzt 600 EJ/a * Höheres Potenzial bei Einsatz von off-shore Anlagen in Gebieten tieferen Wassers Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen, 2003,

6 Größenordnung der Solarenergie Die von der Menschheit jährlich verbrauchte Energiemenge wird von der Sonne jede Stunde auf die Erde geliefert. Die Sonneneinstrahlung auf die Erde entspricht TW, globale Durchschnittsleistung im Jahre 2020: 20TW! Quelle: G.W. Crabtree and N.S. Lewis, Physics Today, März 2007

7 Solarenergie ist die einzige Energieart, die das Energieproblem der Erde lösen kann!

8 Exemplarischer Pfad, globaler Primärenergieverbrauch Geothermie Andere Erneuerbare Solarthermie (nur Wärme) Solarstrom (PV und solarthermische Kraftwerke) Wind Biomasse (modern) Biomasse (traditionell) Wasserkraft Kernenergie Gas Kohle Öl EJ/a Jahr TW Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen, 2003,

9 dena-szenario zur Entwicklung des Primärenergieverbrauchs in Deutschland bis 2020 Quelle: dena

10 Regenerativer Energiemix, Säulen der zukünftigen Stromversorgung Solarenergie PV und Solarthermie Wind Wasser, Biomasse, Geothermie

11 Solarthermisches Kraftwerk in Almeria, Spain

12 Flächenbedarf für solare Elektrizität Flächenbedarf um künftigen Weltbedarf von 20 TW durch PV zu erzeugen: 6 Gebiete je 3.3 TW. je 340 x 340 km 2 (1600h/a, 15% Effizienz) PV kann einen wesentlichen Teil des Weltenergiebedarfs erzeugen

13 Prognose 2010: > 12 GW p! Jährliche Installation von PV Modulen aus kristallinem Silicium (weltweit) 2006: mehr als 1.9 GW p weit besser als optimistischste Wachstumsprognose! 2003: 600 MW p MWp/a Annual Module Shipment (Crystalline Silicon) 4,800 4,400 4,000 3,600 3,200 2,800 2,400 2,000 1,600 1,200 Actual Shipments 40 % CAGR Projection (2003) 25% Growth 15% Growth Source: Strategies Unlimited, EPIA solar generation 2006, 2010 Rogol, LBBW Report 2007

14 Preis-Lernkurve von PV-Modulen aus kristallinem Si [ /W p ] 100 cell [%] = % (25%) (30%) d [µm] = Installierte Peak Power (kumuliert) [GWp] Graph: G. Willeke, ISE

15 Vergleich PV-Erzeugung und Summenlast PV-Erzeugung und Last vom Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun. 04 PV-Erzeugung [kw] Last [MW] Datum PV-Erzeugung [kw] Last [MW]

16 PV-Erzeugung und EEX-Preise vom Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun Jun. 04 PV-Erzeugung [kw] EEX-Preis [ /MWh] Vergleich PV-Einspeisung und Strompreise, European Energy Exchange (EEX) Höchsten Strompreise um die Mittagszeit Entspricht der maximalen Einspeisung der PV-Anlagen In CA: PV Strom kostet ca. $ 0.25/kwh, Datum 0 PGE Time-of-use Tarif: $0.32/kWh (13-19h) PV-Erzeugung [kw] EEX-Preis [ /MWh]

17 Wirtschaftlichkeit des Solarstroms [ ]

18 Wettbewerbsfähigkeit zwischen Stromerzeugungskosten für PV und Utility Prices PV power Peak power Bulk power Quelle: W. Hoffmann, Schott Solar, 2007

19 Entwicklung des globalen PV-Marktes 1.5 GWp Thin Film Mono-Si Multi-Si Ribbon-Si : 1/3 thin-film, c-si, mc-si 2006: >90% c-si, mc-si! Graph: G. Willeke,

20 Zwei Technologien dominieren den PV Markt: Si Einkristall: + höchster Wirkungsgrad - langsamer Herstellungsprozess - hohe Kosten Einkristall (Czochralski) QuickTime and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. Poly- (multi-) kristallines Si: + schneller, günstiger Herstellungsprozess - niedrigerer Wirkungsgrad Multi-kristall (nach Bridgeman) Graphik nach W. Koch

21 Columnar solidification of mc-si 10 cm Vertical cut through directionally solidified block In color: simulation results Multicrystalline Si wafer for PV

22 Höchsteffiziente dünne Laborzelle aus multikristallinem Silicium Waferdicke = 99 µm Wirkungsgrad = 20,3% (1 cm 2 ) Plasma-texturierte Oberfläche Laser-fired contacts (LFC) Thermisches Oxid

23 Hocheffiziente ultradünne Si Solarzelle Effizienz 20,2% Wafer Stärke 42 µm

24 Der Rappenecker Hof Si-PV Anlage, installiert 1987, hat heute noch mehr als 80% der Ausgangsleistung! QuickTime and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture.

25 Der Motor zur schnellen Einführung von Solarenergie ist der Feed-in Tarif: FIT Er ermöglicht jedem, ein PV System z.b. 100% auf Kredit zu kaufen, den Kredit mit dem Ertrag des erzeugten Stromes abzuzahlen, und nach etwa 15 Jahren ein zeitlich unbegrenztes Einkommen zu erzielen FIT ( /kwhr) = P / M x T P: Systempreis in M: erzeugte MWhr / a T: Zahl der Jahre PV: P = 5,50/kwhr M = 1 (1000kwhr/a) T = 10 FIT = 0,55/kWhr

26 Das Problem des Mangels an Reinstsilicium Voraussage April 2007 (Rogol 2007) Source: Wacker 2 nd SoG-Si workshop 2005

27 Mögliche Lösungen für Si-Mangel Erhöhte Produktion von reinem Silizium: 2010: mehr als 70 kt/a prognostiziert Dünnere Zellen (aber:limitiert Zellgrösse!) Dünnschicht-Zellen, z.b. a-si, CIS, CIGS, CdTe Dünnschicht-mc-Si auf verschiedenen Substraten (besonders interessant: mg-multicrist. Si!) Gereinigtes metallurgisches ( dirty ) Si Hocheffizienz-Solarzellen in Konzentratoren

28 Von Quartz und Kohle zum metallurgischen Si (mg-si) Raw material C SiO 2 Consumable electrodes Electric energy Filter Cleaned gas 1 Mio. t/a 1 $/kg Charge material Source: RW silicium Liquid metal Refining Crater Recovered energy Silica Source: Solidification Sizing Crushing B. Ceccaroli and O. Lohne Silicon Source: Elkem

29 Vom mg-si zum hochreinen poly-si: der Siemens Prozess mg-si Pulver Abgase (SiHCl 3, SiCL 4, H 2, Metall Chloride) ca t/a ca. $100/kg Heisser Si Staub Quartz Rohr Heizelemente HCl Fluidised Bed Reaktor Fraktionierte Destillation Alternative für PV: gereinigtes metallurgisches Si - pmg-si

30 ISE Konzepte zur Verwendung von pmg-si: InertCell, EpiCell InertCell: Standard-Solarzelle aus moderat gereinigtem (upgraded metallurgical) Silicium InertCell EpiCell: Dünnschicht-Solarzelle auf multi-kristallinem, metallurgischem Silicium EpiCell

31 Crystalline Si thin film solar cells anti reflection coating n Si emitter p Si epi (base) diffused 20 µm p+ Si epi (BSF) 2 µm low resistivity wafer Epitaxial wafer equivalent

32 Maximaler Wirkungsgrad von Halbleiter-Solarzellen mit einem pn-übergang 1600 W. Shockley, H.-J. Queisser (1961) Theoretische Grenze 33% J. Zhao, A. Wang, M.A. Green (1999) Bester Laborwert 24,7% 2 Leistungsdichte [W/m µm] Nicht genutzte Energie der kurzwelligeren Photonen Genutzte Energie Längerwellige Photonen können keine Ladungsträger generieren Wellenlänge [nm]

33 Wirkungsgrade jenseits der Shockley-Queisser Grenze Theoretische, maximale Wirkungsgrade (ohne optische Konzentration): Tandemzellen: 2 - jct. 45.3% 3 - jct. 51.2% 4 - jct. 54.9%... Leistungsdichte [W/m 2 µm] AM15 GaInP GaInAs Ge Wellenlänge [nm]

34 Tandem (3 - jct.) PV Zellen für optische Konzentration: front contact Ga 0.65 In 0.35 P tunnel diode Ga 0.83 In 0.17 As tunnel diode Ge ARC n + -AlInP - window layer n-gainp - emitter GaInP - undoped layer p-gainp - base p + -GaInP - barrier layer p + -AlGaInP - barrier layer p ++ -AlGaAs n ++ -GaAs or GaInP n + -AlGaInP/AlInAs - barrier layer n-gainas - emitter GaInAs - undoped layer p-gainas - base p + -GaInAs - barrier layer p + -AlGaInAs - barrier layer p ++ -AlGaAs n ++ -GaInAs n-graded Ga 1-x In x As buffer layer p-ge substrate (100) cap layer 1.8 ev 1.3 ev n- doped window- and nucleation layer n-ge diffused emitter 0.7 ev rear contact

35 Triple-junction solar cell for high optical concentration, > 35% GaInP/GaInAs/Ge solar cell with = 35.2 % at C = 500

36 High-concentration PV tracker systems Solar Systems (AUS) Amonix (US) Concentrix Solar (D) (Ausgründung des ISE)

37 CI(G)S Solar Cell, schematic ZnO:Al Cu(In,Ga)Se 2 i- ZnO CdS Mo P 1 P 2 P 3 Glass Record efficiency: 18% (small area) Best module efficiency: ca. 12% Source: ZSW (Stuttgart)

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39 Organische Solarzelle - Aufbau und Funktionsprinzip record = 4,8% FMF, ISE = 3,7% Aluminum Akzeptor Absorber Polymer Anode ITO Substrate Donor

40 Zusammenfassung I: The big picture for PV Der globale PV Markt wird rasch auf mehrere 100 Mrd/a wachsen. PV verringert die Spitzenbelastung und ist deshalb schon heute in bestimmten Gebieten ökonomisch konkurrenzfähig Die Schere zwischen sinkenden PV Kosten und steigenden Kosten fossiler Energie wird sich weiter zugunsten der PV öffnen.

41 Zusammenfassung II: Kristallines Silizium wird auch in den nächsten Jahren den PV-Markt dominieren. Der momentane Mangel an hochreinem Si wird durch erhöhte Si-Produktion, dünnere Zellen und die Verwendung von gereinigtem metallurgischen, schmutzigem Silizium überwunden werden. Dünnschichtzellen haben eine interessante Rolle als Preisbegrenzer, besonders mit Effizienzen über 10% können sie zusätzliche Marktanteile gewinnen. Das Einspeisegesetz im EEG hat sich als effizienteste Methode erwiesen, die rasche Markteinführung erneuerbarer Energien zu fördern.

42 Vielen Dank für Ihre