Photovoltaik: Wie geht es weiter?

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1 Photovoltaik: Wie geht es weiter? Jürgen H. Werner Institut für Photovoltaik, Universität Stuttgart 6. Mai 2015

2 Danke! Renate Zapf-Gottwick und Jürgen Köhler Kai Carstens, Morris Dahlinger, Erik Hoffmann Birgitt Winter und die Technologiegruppe!

3 Überblick 1. Wie funktioniert eigentlich eine Solarzelle? 2. Jede normale Diode ist eine Solarzelle 3. Photovoltaikmarkt: kaum Installationen in Deutschland, kaum mehr deutsche Hersteller 4. Schadstoffe in PV-Modulen 5. Der Ausweg für europäische Hersteller: Sehr hohe Wirkungsgrade 6. Rückseitenkontaktzellen und ihre Herstellkosten 7. Speicherkosten

4 1. Wie funktioniert eigentlich eine Solarzelle

5 Wie funktioniert eine Solarzelle????? Absorption von Solarstrahlung Anregung von Elektronen Gerichteter Elektronenfluss

6 Membran 1 Membran 2 Wasserfall-Modell von Solarzellen E c qv E Fn E Fp Metall 1 E v Metall 2 Die Membranen für Elektronen im Valenz- bzw. Leitungsband lassen nur Elektronen im Valenzband (Löcher) rechts und im Leitungsband (links) durch.

7 Membran 1 Membran 2 Wasserfall-Modell von Solarzellen Einstrahlungsrichtung E c qv E Fn E Fp Metall 1 Metall 2 E v Photonen regen Elektronen vom Valenzband an. Sie fließen nach links zur Elektronensenke. Ständig werden von rechts Elektronen ins Valenzband nachgeliefert.

8 Membran 1 Membran 2 Wasserfall-Modell von Solarzellen Einstrahlungsrichtung E c qv E Fn E Fp Metall 1 E v Metall 2 Photonen regen Elektronen vom Valenzband an. Sie fließen nach links zur Elektronensenke. Ständig werden von rechts Elektronen ins Valenzband nachgeliefert.

9 Membran 1 Membran 2 E c qv E Fn E Fp Metall 1 E v Metall 2 Ersetzen der Membranen durch (hoch)dotierte Bereiche.

10 E c E Fn n + qv p + E Fp Metall 1 E v Metall 2

11 Wasserfall-Modell von Solarzellen Einstrahlungsrichtung E c E Fn n + qv p p + E Fp Metall 1 E v Metall 2

12 Licht Si3 N 4 Textur Silber-Kontakt n + -Typ Silizium Raumladungszone = V A e - - h + + p-typ Silizium p + -Bereich (Aluminium) Aluminium-Kontakt

13 Stromdichte J [ma/cm²] Dunkelkennlinie -J photo V OC Hellkennlinie -0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Spannung V [V] Strom/Spannungs-Kennlinie einer pn-diode im Dunkeln und im Hellen.

14 2. Dioden und Solarzelle Wann ist eine Diode/Zelle im Dunkeln?

15 Stromdichte J [ma/cm²] Dunkelkennlinie -J photo V OC Hellkennlinie -0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Spannung V [V]

16 Woher kommt der Sperrsättigungsstrom? J a) b) J 1 ma/cm 2 J qv kt J 0( e 1) - 60 V J 0 = 1 na/cm 2 V JHW 0.7 V V

17 Bändermodell im Dunkeln, ohne Spannung n 0 =n i2 /p 0 p p + n p 0 = N A E F

18 J Im Dunkeln, Vorwärtsspannung n ( x) qv, n( x) diff n p + qv E Fn E Fp E Fp n n RLZ x L e / n n 0 x RLZ x

19 J Im Dunkeln, Rückwärtsspannung 0 qvdiff, nn0 q D L n N 2 i A p + -qv E Fp E Fn E Fp n x RLZ

20 Woher kommen die Elektronen im Dunkeln n 0 =n i2 /p 0 p p + n p 0 = N A E F

21 Woher kommen die Elektronen im Dunkeln n 0 = G 0 τ 0 p G 0 R 0 p + n p 0 = N A E F

22 Woher kommt der Sperrsättigungsstrom? G 0 R G 0 R 0 p + -qv E Fp E Fn E Fp n x RLZ

23 Der Sperrsättigungsstrom J 0 jeder Diode = ihr Photostrom im Dunkeln = 0, nur wenn keine Wärmestrahlung der Umgebung vorhanden ist, also bei T = 0 K.

24 Stromdichte J [ma/cm²] Dunkelkennlinie -J photo V OC Hellkennlinie -0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Spannung V [V]

25 3. Photovoltaikmarkt kaum mehr in Deutschland, kaum mehr von Deutschen

26 Weltweite kumulierte Installation [GW] Weltmarkt: Ausblick, gesamte Installationen 200 GW Oberer Wert Unterer Wert Quelle: EPIA 2013

27 installed PV-power [MW] PV in Deutschland (Mai 2015) GW GW 250 km exponentiell linear 1 GW/a year

28 Weltweite jährliche Installation [GW] Weltmarkt: Jährlicher Zuwachs 45 GW Oberer Wert Unterer Wert Quelle: EPIA Deutscher Markt: 1 GW/Jahr Zuwachs erfordert neue Fabrikkapazitäten

29 Jährliche Modulproduktion [GW] Modul-Hersteller, Marktanteile gesamt ROW Taiwan China Europa USA Japan Quelle: EPIA 2014

30 Schlussfolgerungen Schlechte Nachrichten Kaum noch Markt in Deutschland Kaum noch deutsche Hersteller Gute Nachrichten Riesiger Markt außerhalb von Deutschland Hersteller können Wachstum kaum mithalten Neue Fabriken benötigt!

31 Market Share [%] Dünnfilmmodule sind keine Option Crystalline Si Thin Films

32 Module Price M [$/W p ] Lernkurve für Module aus kristallinem Si 1976 Faktor 100 in 40 Jahren!! 2015: 50 ct/w p Stromkosten in D 2015: 8 ct/kwh 2030: 5 ct/kwh

33 4. Schadstoffe in PV-Modulen

34 power of annually installed PV-modules P [MW] Weltmarkt PV-Module GW in c-si 10 2 PV total a-si CdTe CIGS year

35 PV-Module c-si 16 % CdTe 12 % a-si 7 % CIGS 13 %

36 weight of hazardous substances in PV-modules G Pb, G CdTe [t] Verteilte Schadstoffe : G Pb t G CdTe t G Pb in c-si G CdTe year

37 Auslaugexperimente

38 5. Der Ausweg für europäische Hersteller: Hohe Wirkungsgrade.. und schadstofffrei!

39 Systempreise 2015 Module: 50 bis 60 ct/w p = 500 bis 600 /kw p. Wie viel kostet Gesamtsystem (ca. 7 m 2 /kw p )? Komponenten Preis [ /kw p ] Anteil [%] Module, M Aufständerung, Kabel, Lohnkosten, BOS Inverter, Gerüst, Versicherung, Gewinn des Installateurs, Fix Summe, T T M BOS FIX flächenabhängig = %

40 Modulpreise η = 15 % 50 ct/w p 75 /m 2

41 Systempreis: 900 /kw p M = 75 /m 15 % Fix BOS = 30 /m 2

42 Systemkosten: /kw p und /m 2 T M BOS FIX /kw p M BOS 1 P 0 1 P 0 M BOS /m² Wirkungsgrad 1 kw/m² T 1 ( M BOS ) P 0 FIX

43 Allowed Add. Module Price M [ct/w] Wie viel mehr bezahlt Installateur? BOS = 80 /m² 100 /m² /m² 56 ct/w /m² 20 /m² M allow BOS 1 ref 1 allow Module Efficiency [%]

44 Allowed Add. Module Price M [ct/w] Höherer Wirkungsgrad /m² 20 /m² 60 /m² BOS = 80 /m² 100 /m² Module Efficiency [%]

45 6. Rückseitenkontakte und ihre Herstellkosten

46 mm 125 mm % 22 % normal cell (ipv, 18.5 %, 6 ) back contact cell (Sunpower, 22-23%) back contact cell (ipv, 21.2 %) 46

47 Laser Processed Back Contact Cells Laser doping Laser ablation Laser structuring Highly versatile Photolitography free 47

48 boron sputtering boron sputtering emitter laser doping cleaning FSF furnace diff. BSF laser doping BSF laser doping cleaning therm. SiO 2 PECVD SiN x + passivation laser ablation metallization laser structuring ipv laser based process PSG FSF n-type SiO 2 passivation layer stack best cell/ contacts by SiO 2 +SiN x emitter BSF size [cm 2 ] boron precursor V oc [mv] J sc [ma/cm²] *confirmed PSG FF [%] contacts η [%] Photolithography * Ag-screen printing Al-metallization * Al-metallization

49 Allowed Add. Module Price M [ct/w] Erlaubter Verkaufspreis Premium -Modul /m² 60 /m² BOS = 80 /m² 100 /m² Handelsspanne >10 ct/wp Asiatisches Modul Preis 56 ct/w p Rück-Si Modul Herstellung 49 ct/w p /m² Module Efficiency [%]

50 7. Speicherkosten

51 Li-Batt. Price [$/kwh] Speicherkosten (nach W. Hoffmann 2014) 10 3 Learning factor Cumulated Li-Batt. Capacity [MWh]

52 Speicherkosten ct/kwh Batteriekosten $/kwh Speicherkosten (nach W. Hoffmann 2014) Zelle Pack ct/kwh

53 Wie geht es weiter? 1. PV-Modulmarkt geht nach Süden. 2. Premium-Module (>20%) herstellbar in D für < 50ct/W p : Strom aus PV in D 5ct/kWh Strom aus Speicher 5ct/kWh 4. Schadstoffe raus aus PV-Modulen!

54 PV Power Map (2014) 2014: 440 W/person 2020: 650 W/person Source: Market Outlook, EPIA, 2013

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