Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

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1 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 3.1 Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2007/2008 Stand: Vorlesung Termin Thema Dozent Nr. 1 Di Wirtschaftliche Aspekte/Energiequelle Sonne Lemmer 2 Fr Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer - Di Inauguration Karlsruhe School of Optics & Photonics Lemmer 3 Fr Kristalline pn-solarzellen Lemmer 4 Di Elektrische Eigenschaften Lemmer 5 Fr Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer 6 Di Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer 7 Fr Anorganische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 8 Di Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 9 Di Third Generation Photovoltaics Lemmer 10 Di Photovoltaische Systeme I Lemmer - - Weihnachtsferien Lemmer 11 Di Photovoltaische Systeme II Lemmer 12 Fr Solarkollektoren Lemmer 13 Di Passive Sonnenenergienutzung 13 Di Solarthermische Kraftwerke Lemmer 14 Di Energiespeicher/Solarchemie Lemmer 15 Fr Kostenrechnungen zu Solaranlagen Lemmer 16 Di Energieszenarien Lemmer 17 Di Exkursion Lemmer

2 Dotierung 3.2 a) Abb.: a) Ausschnitt aus dem Periodensystem der Elemente. b) Schema zur p- Dotierung. c) Schema zur n-dotierung. b) c) p-dotierung durch Einbau eines Atoms mit 3 Valenzelektronen n-dotierung durch Einbau eines Atoms mit 5 Valenzelektronen

3 Energieniveaus bei Dotierung 3.3

4 p-n-übergang 3.4 Wenn p- und n- dotierte Bereiche zusammengeführt werden, kommt es zur Diffusion von Ladungsträgern und zur Ausbildung von Raumladungen. Film über p-n-übergang Ausbildung von Raumladungszonen

5 Aufbau der Standard-Si-Solarzelle 3.5 Front- Kontakt BSF n-emitter (<1µm) Anti-Reflexions-Schicht auf strukturierter Oberfläche p-basis (~300µm) Anti-Reflexions-Schicht + Rück-Kontakt bilden das optical confinement, n-emitter + Back Surface Field / BSF bilden das electrical confinement. Rück- Kontakt Quelle: Prof. Wagemann, TU Berlin

6 3.6 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien

7 Die verschiedenen Schritte auf dem Wege zur Si-Wafer Herstellung von metallurgischem Silizium Feuerstein (SiO 2 ) - Refraktionierung (Siemens-Verfahren) - Herstellung von hochreinem Poly-Si-Material - Kristallzucht - Schneiden von Wafern Si-Wafer

8 Silizium-Reinheitsgrad SGS 3.8 MGS-Material (metallurgical grade silicon): 98% Reinheit ( 1: 10-2 ) nach Reduktion aus SiO 2, als Si-Granulat für 150 kwh/ kg: Gesamtmenge > 10 6 t/jahr für Verfahrenstechnik SGS-Material (solar grade silicon): 5 Neunen 99,999 % Reinheit ( 1:10-5 ) + kolumnar erstarrt als Blockguss-Silizium 600 kwh / kg SGS-Silizium; insges. ca. 24*10 3 t/jahr für Solarzellen EGS-Material (electronic grade silicon): 7 Neunen 99, % Reinheit ( 1:10-7 ) nach Fraktionierter Destillation von Chlorsilanen + Tiegelziehen von CZ-Kristallen: 1000 kwh /kg EGS-Silizium; 25*10 3 t/jahr für Mikroelektronik-Chips Quelle: Prof. Wagemann, TU Berlin

9 1. Herstellung von metallurgischem Si 3.9 SiO 2 (Quarz) und Kohlenstoff werden in feingemahlener Form in Graphittiegel eingebracht Dank an Prof. Werner, IPE Uni Stuttgart für die JHW-Bilder! Lichtbogen erzeugt Schmelze Reduktion von Silizium (SiO 2 + 2C Si + 2CO) flüssiges Si kann abgezapft werden - brutal energieaufwändig (140 kwh/kg) - Reinheit noch nicht ausreichend (noch kein electronic grade )

10 2. Refraktionierung (EGS) 3.10 feingemahlenes metallurgisches Si wird in einem Wirbelsinterofen gasförmigem Chlorwasserstoff ausgesetzt Si+3HCl SiHCl 3 +H 2 (exotherme Reaktion zu Trichlorsilan (T Siede =30 C)) mehrstufige Destillation Trennung von Verunreinigungen Verunreinigungsgrad < 10-12

11 Bedarf der Photovoltaik an Solar-Silizium 3.11 Für 1 MW Solarzellen benötigt man >10 t Silizium; also im Jahre 2005 weltweit für 1800 MW Solarzellen mindestens ~ t SGS-Silizium. Der Silizium-Bedarf 2005 der Chip- und der Photovoltaik-Industrie sind vergleichbar. Der heutige Preis beträgt > 50 / kg. Man rechnet angesichts der hohen PV-Zuwachsrate mit steigendem Bedarf an SGS-Silizium: bis zum Jahre 2010 mit t/jahr. Damit wird eine eigenständige SGS-Silizium-Herstellung benötigt, die es für derartige Mengen bisher nicht gibt. Vor allem der hohe Aufwand an Energie begrenzt derzeit die Produktion von SGS-Silizium: ( ) kwh/kg SGS-Silizium werden benötigt. Bei zusätzlichen t SGS-Silizium im Jahre 2010 sind dies jährlich ca kwh, die eine Kraftwerk-Kapazität von ca MW erfordern ( ~ Berliner Kraftwerk-Leistung ). (Quelle: Photon 6/2006)

12 Solar grade silicon 3.12

13 3. Herstellung von polykristallinem Si 3.13 Gereinigtes Trichlorsilan wird mit H 2 in Reaktor geleitet Reduktion von SiHCl 3 an heißem Si-Stab (4 SiHCl 3 + 2H 2 3Si +SiCl 4 +8HCl) Wachstum von hochreinen Si-Stäben Siemens-Prozeß (Spenke et al )

14 4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren für gute Transporteigenschaften ist einkristallines Material erforderlich Bruchstücke von poly-si werden unter Schutzgas aufgeschmolzen (T S =1415 C) Eintauchen eines einkristallinen Keims einkristallines Wachstum unter Zieh- und Drehbewegungen Wachstum von einkristallinen Stäben -Dotierung möglich durch Zugabe von hochdotierten Si-Stücken -Sauerstoffeinbau war lange Zeit ein Problem (Nichtstrahlende Rekombination)

15 4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren für gute Transporteigenschaften ist einkristallines Material erforderlich Bruchstücke von poly-si werden unter Schutzgas aufgeschmolzen (T S =1415 C) Eintauchen eines einkristallinen Keims einkristallines Wachstum unter Zieh- und Drehbewegungen Wachstum von einkristallinen Stäben (Foto: Wacker Siltronic Burghausen) -Dotierung möglich durch Zugabe von hochdotierten Si-Stücken -Sauerstoffeinbau war lange Zeit ein Problem (Nichtstrahlende Rekombination)

16 4. Einkristallwachstum: b) Zonenziehverfahren 3.16 an poly-si-stab wird einkristalliner Keim angeschmolzen poly-si-stab wird abschnittsweise durch Induktionsheizung aufgeschmolzen Verunreinigungen haben höhere Löslichkeit in flüssiger Phase Reinigung beim Abkühlen erfolgt einkristallines Wachstum - Dotierung in Anwesenheit von Dotiergasen - bessere Kristalle, aber teurer

17 3.17

18 5. Herstellung von Wafern 3.18 Innenlochsäge µm Dicke - 50 % Sägeverluste -in beiden Fällen diamantbesetztes Sägemedium Drahtschleiftechnik - dünnere Wafer möglich

19 Energiebedarf bei Waferproduktion 3.19 Modul: 50 W p - Energierücklaufzeiten von 6-8 Jahren

20 3.20 Energierücklaufzeit Quelle: Photon Dez. 2002

21 3.21 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien

22 Herstellung von poly(multi)kristallinem Silizium 3.22 geschmolzenes Si wird in Graphittiegel gegossen kontrollierte Abkühlung sorgt für kolumnare Strukturen Zersägen in viereckige Scheiben

23 3.23 Herstellung von poly(multi)kristallinem Siliziumzellen "solar grade" Silizium / SGS geschmolzenes Silizium kontrolliertes Abkühlen von unten nach oben kolumnares Kristallit-Wachstum von unten nach oben Bildung eines poly-kristallinen Silizium-Blockes Zersägen in Blöcke Drahtsägen in Wafer Silizium-Wafer Herstellung von poly-kristallinen Silizium-Wafern aus Blöcken (Quellen: C.Gerhards, Dissertation, Konstanz 2002, U.Kindereit, Studienarbeit, Berlin 2004)

24 3.24 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien

25 3.25 Schicht- und Bandsilizium (Folienmaterialien) 0,28 mm Prinzip: 0,28 mm Edge defined film growth (EFG-Verfahren) Prinzip: Graphit- Kapillare -geschmolzenes Silizium wird über Kapillarkräfte direkt in der richtigen Dicke gezogen geschmolzenes Silizium Bänder und Wafer werden durch Laser getrennt. -Sägen entfällt - Probleme aufgrund zahlreicher Defekte

26 3.26 Energierücklaufzeit Quelle: Photon Dez. 2002

27 Von der Scheibe zur Solarzelle Ausgangspunkt: p (Bor)-dotierte Si-Wafer -Elektronen als Minoritätsladungsträger im p-bereich weisen eine größere Diffusionslänge auf

28 Eindiffusion des Emitterkontaktes 3.28 Phosphin (PH) bzw. Phosphoroxychlorid (POCl 3 ) wird an die heiße Si-Oberfläche gebracht Reaktion zu P 2 O 5 dient als Diffusionsquelle an der Oberfläche

29 Diffusionstechnologie 3.29 Eindiffusion bei hohen Temperaturen Einbau auf Si-Gitterplatz als Donator

30 Solarzellentechnologie Trockenätzen der Kanten - Naßätzen des Glases - Siebdruck der Metallkontakte

31 Solarzellentechnologie 3.31

32 Siebdrucken zur Metallisierung geringer Investitionsaufwand (keine Vakuumtechnik) + Automatisierbarkeit des Verfahrens - Metall (Ag für Frontkontakt, Al für Rückkontakt) als einige µm große Partikel - Bleioxid, Blei(Zink)-Bor-Silikate, Bindemittel - Aufbringen durch Siebdruck - Sintern der Schicht bei ca. 600 C - Si-Schicht wird angelöst - beim Abkühlen entsteht rekristallisierte Si-Schicht mit hohen Ag-Anteil

33 Siebdrucken für Rückseitenkontakt wird Al (dreiwertig) verwendet - wird bei 800 C einlegiert und ergibt damit eine p+ Dotierung - Erzeugung des Back-Surface-Feldes

34 Siebdrucken: AR-Schicht Siebdrucken funktioniert auch für die Antireflexschicht: Verwendung einer Paste mit TiO 2 (Brechungsindex ) auch ohne einen interferometrischen Effekt (λ/4-schicht) ergibt sich eine Reduktion der Reflexionsverluste: direkter Übergang Luft/Si: R Luft / Si 2 2 n1 n2 1 4 = = = n + n % Zweistufiger Übergang Luft/TiO 2 /Si: R = R + (1 R ) R = Luft / Ti 0 / Si Luft / TiO Luft / TiO TiO / Si %