Vorlesung Solarenergie: Terminplanung

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1 Vorlesung Solarenergie: Terminplanung Vorlesung Termin Thema Dozent Nr. 1 Di Wirtschaftliche Aspekte/Energiequelle Lemmer/Heering Sonne 2 Di Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer 3 Fr Kristalline pn-solarzellen Heering Di Lichttechnik-Tage "Automobile Lichtund Displaytechnik" in Karlsruhe 4 Fr Elektrische Eigenschaften Heering 5 Di 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 Fr Photovoltaische Systeme I Heering 11 Di Photovoltaische Systeme II Heering 12 Di Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien 13 Di Passive Sonnenenergienutzung Heering 14 Di Solarthermische Kraftwerke Lemmer 15 Di Energiespeicher/Solarchemie Heering 16 Di Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering 17 Di Energieszenarien Lemmer Di Exkursion Heering/Lemmer

2 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien kommerzielle Wirkungsgrade: mono-si: (14-17 %) multi-si: (13-15 %) amorph: (5-8 %) Quelle: Luther

3 Kostenaufteilung bei einer Solarzelle Quelle: Luther, FhG ISE

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

5 Silizium-Reinheitsgrad SGS 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

6 1. Herstellung von metallurgischem Si 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 )

7 2. Refraktionierung 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

8 3. Herstellung von polykristallinem Si 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 )

9 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)

10 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)

11 4. Einkristallwachstum: b) Zonenziehverfahren 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

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

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

14 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien kommerzielle Wirkungsgrade: mono-si: (14-17 %) multi-si: (13-15 %) amorph: (5-8 %) Quelle: Luther

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

16 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)

17 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien kommerzielle Wirkungsgrade: mono-si: (14-17 %) multi-si: (13-15 %) amorph: (5-8 %) Quelle: Sarasinstudie

18 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

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

20 Eindiffusion des Emitterkontaktes 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

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

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

23 Solarzellentechnologie

24 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

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

26 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 %

27 Hochvakuum-Aufdampftechnologie - Metallschichten -AR-Schichten (λ/4-schichten)

28 Technologie bei hocheffizienten Zellen - Passivierung durch Oxidationstechnologie - Herstellung der Punktkontakte durch Photolithographie - Texturierung der Oberfläche

29 Oxidationstechnologie Trockene Oxidation: (Si + O 2 SiO 2 ) Feuchte Oxidation: (2Si + O 2 +2H 2 O 2SiO 2 +2H 2 ) -SiO 2 -Wachstum wird im Laufe des Prozesses verlangsamt, da Sauerstoff durch die frisch gewachsene Schicht hindurchdiffundieren muss

30 Photolithographie Nach dem Entwickeln können entweder die belichteten oder die unbelichteten Bereiche stehenbleiben, je nach Wahl des Lacks (negativ/positiv).

31 Photolithographie: Lift-off-Prozess

32 Texturierung der Oberfläche: Anisotropes Nassätzen mit KOH -Ätzgeschwindigkeit hängt von der Kristallrichtung ab -durch Maskierung mit SiO 2 können regelmässige Pyramiden erzeugt werden -ohne Maskierung ergeben sich willkürliche -Pyramiden

33 Texturierung der Oberfläche: Anisotropes Nassätzen mit KOH -Ätzgeschwindigkeit hängt von der Kristallrichtung ab -durch Maskierung mit SiO 2 können regelmässige Pyramiden erzeugt werden -ohne Maskierung ergeben sich willkürliche -Pyramiden

34 Texturierung der Oberfläche: Pyramiden 25 %-Zelle (U of New South Wales, Australien) -extrem reines einkristallines Silizium -strukturierte Oberfläche und AR-Beschichtung -dünne Finger aus Ag -passivierte Emitterseite -emitterseitige Punktkontakte mit Hochdotierung

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