7.1 a-si:h Solarzellen 7.2 Herstellung von Zellen und Modulen 7.3 Tandem- und Stapelzellen 7.4 Kristalline Si-Dünnschichtzellen 7.

Transkript

1 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 7.1 a-si:h Solarzellen 7.2 Herstellung von Zellen und Modulen 7.3 Tandem- und Stapelzellen 7.4 Kristalline Si-Dünnschichtzellen 7.5 CIGS-Technologie

2 7.2 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien

3 Marktentwicklung der versch. PV-Technologien 7.3 Quelle: DGS 2007

4 Warum c-si und multi-si? hohe Wirkungsgrade - hohe Zuverlässigkeit, hohe Langzeitstabilität (> 20 J.) - reichlich Si vorhanden - nicht toxisch

5 7.5 Warum nicht c-si? Warum Dünnschicht? -c-si ist teuer - kostengünstigere Herstellung -c-si wird noch teurer, wenn der Bedarf nicht mehr durch Ausschuss von EG-Si aus der Mikroelektronik gedeckt werden kann (mittlerweile passiert) -c-si Technologie ist energieintensiv (Energierücklaufzeiten 6-8 Jahre) -großer Materialaufwand, Wafer sind -zu dick - kein großflächiger Prozess - geringere Energierücklaufzeiten -Schichtdicken im nm-bereich kontrollierbar - großflächige Deposition - monolithische Verschaltung -höherer Grad der Automatisierbarkeit der Prozesse

6 7.6 Energierücklaufzeit poly-si Quelle: Photon Dez. 2002

7 7.7 Energierücklaufzeit Dünnschicht Quelle: Photon Dez. 2002

8 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 7.1 a-si:h Solarzellen 7.2 Herstellung von Zellen und Modulen 7.3 Tandem- und Stapelzellen 7.4 Kristalline Si-Dünnschichtzellen 7.5 CIGS-Technologie

9 Struktur c-si a-si 7.9 c-si: Nah- und Fernordnung a-si: nur Nahordnung

10 Elektronische Struktur in amorphem Si 7.10 Beweglichkeiten c-si: µ e =1100 cm 2 V -1 s -1 ; µ h =300 cm 2 V -1 s -1 Beweglichkeiten a-si:h: µ=2 cm 2 V -1 s -1

11 pin-solarzelle a-si:h die c-si Solarzelle beruht auf der Diffusion von Minoritätsladungsträgern L Diff (c-si)>200µm - L Diff (a-si:h) 150 nm - aber: Driftlänge 1 µm -Design der Solarzelle so, dass Absorption in der RLZ - dotierte Bereiche möglichst dünn pin-struktur

12 Solarzellen aus a-si:h superstrate -substrate

13 Stabilität von a:si:h Staebler-Wronski-Effekt : licht- und ladungsträgerinduzierte Alterung durch Aufbrechen von Bindungen

14 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 7.1 a-si:h Solarzellen 7.2 Herstellung von Zellen und Modulen 7.3 Tandem- und Stapelzellen 7.4 Kristalline Si-Dünnschichtzellen 7.5 CIGS-Technologie

15 Solarzellen aus a-si:h Dotierung mittels Zugabe von B 2 H 6 und PH 3

16 Solarzellen aus amorphem Silizium 7.16 Abscheidereaktoren für die Herstellung von Solarzellen aus amorphem Silizium bei SchottSolar (

17 7.17 Monolithische Verschaltung von Dünnschichtzellen

18 Monolithische Verschaltung 7.18 a-si:h-solarmodul

19 Roll to roll process (R2R) 7.19 Kontinuierliche Abscheidung auf flexiblen Substraten (Stahl, Polymer)

20 Roll to roll process (R2R)

21 Anwendungen flexibler Solarzellen 7.21 Dach einer GM-Fertigung in Zaragoza

22 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 7.1 a-si:h Solarzellen 7.2 Herstellung von Zellen und Modulen 7.3 Tandem- und Stapelzellen 7.4 Kristalline Si-Dünnschichtzellen 7.5 CIGS-Technologie

23 Legierbarkeit von a-si/ge/c:h: Multiple Zellen Beimischung von GeH 4 während der Abscheidung

24 Prinzip einer Tripelzelle 7.24

25 Tandem-(Stapel-)solarzellen 7.25

26 Verschaltung von Tandemsolarzellen 7.26 Zweikontaktzellen: keine zusätzliche elektrischen Kontakte - Spannungen der Einzelzellen müssen sich addieren npnp

27 Verschaltung von Tandemsolarzellen 7.27 Zweikontaktzellen: keine zusätzliche elektrischen Kontakte - Spannungen der Einzelzellen müssen sich addieren npnp - Stromanpassung erforderlich (nur suboptimal möglich)

28 Vierkontakttandemsolarzellen 7.28

29 Vierkontakttandemsolarzellen 7.29

30 Maximale Wirkungsgrade von Tandemsolarzellen 7.30

31 Kommerzielle Tripelzellen auf Folie

32 kostengünstig + Energierücklaufzeiten 2-3 J. + ausreichend für viele Consumer-Anwendungen + Abscheidung auf kostengünstige und flexible Substrate - bescheidene Wirkungsgrade

33 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 7.1 a-si:h Solarzellen 7.2 Herstellung von Zellen und Modulen 7.3 Tandem- und Stapelzellen 7.4 Kristalline Si-Dünnschichtzellen 7.5 CIGS-Technologie

34 Zwischen a-si und c-si: Das mikrokristalline Si (µc-si:h) Herstellung durch Dünnschichtprozeß (wie a-si:h), -aber vorteilhafte Eigenschaften eines Kristalls

35 7.35 c-si a-si:h

36 7.36

37 7.37

38 Tandemsolarzellen a:si:h/µc-si:h 7.38 Wirkungsgrade %

39 Polykristalline Dünnschicht-Silizumzellen 7.39

40 7.40 Borosilicate Glass 3mm Texture Coat Both Surfaces (Dipping)

41 7.41 SiN Borosilicate Glass 3mm Deposit Anti-Reflection Coating (PECVD)

42 7.42 Si SiN Borosilicate Glass 1.5 µm 3mm p+ p n+ Deposit Silicon Film (PECVD)

43 7.43 Si SiN Borosilicate Glass 1.5 µm 3mm 0 Crystallise Si

44 7.44 Si 1.6 µm 0 SiN Borosilicate Glass 3mm Anneal Defects

45 Si SiN Borosilicate Glass µm 3mm Hydrogen Passivation

46 7.46 Si SiN Borosilicate Glass 1.5 µm 3mm 0 Hydrogen Passivation

47 Einkristalline Dünnschichtzellen? 7.47

48 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 7.1 a-si:h Solarzellen 7.2 Herstellung von Zellen und Modulen 7.3 Tandem- und Stapelzellen 7.4 Kristalline Si-Dünnschichtzellen 7.5 CIGS-Technologie

49 7.49

50 7.50 Chalkopyrite als Solarzellenmaterialien (I-III-VI 2 -Halbleiter) - niedrige Abscheidetemperaturen - geringe Oberflächenrekombination - hohe Absorptionskonstanten - geeignetes Bandgap - legierbar

51 Polykristalline CIS-Zellen 7.51

52 pn-heteroübergänge n-dotierung schwierig - Verwendung einer n-dotierten Fensterschicht (CdS)

53 pn-heteroübergänge ganz ähnliche Situation wie CdTe-Solarzellen

54 CIS: Herstellung der Absorberschicht 7.54

55 7.55

56 Industrielle Aktivitäten CIS-Fertigung weltweit mit produktrelevanten Substratgrößen (2004) 7.56 Firma Fertigungsleistung in MWp/a Substrat Glas (m x m) Wirkungsgrad max/mittel Markt Shell Solar USA 3 0,3 x1,2 < 13% / 11% Ja Würth Solar Marbach 0.4 0,6 x 1,2 < 13% / 11,5% Ja Global Solar USA < 0.4 Metallfolie 1ft x.. ft (Rolle) 10% / 8% Militär (teilweise Consumer) Showa Shell Japan - 0,3 x1,2 14,2% / 11,8% Nein Honda Japan ,8 x 1,3 (0,2 x 0,2) / 10% Nein Sulfur Cell Berlin - 0,6 x 1,2 - Nein Shell Solar München - 0,6 x 1,2 13,1% / 12,2% Nein

57 Die Würth-Solar CISfab 7.57 Schwäbisch Hall, 27. Oktober 2006 Fast exakt ein Jahr nach dem Spatenstich hat Würth Solar heute in Schwäbisch Hall feierlich die neue Produktionsstätte für CIS-Solarmodule eröffnet: die CISfab. Das Unternehmen schlägt damit ein neues Kapitel der Photovoltaik auf, denn weltweit erstmalig laufen dort von nun an CIS-Solarmodule in Großserie vom Band. CIS-Solarmodule kommen im Gegensatz zu den herkömmlichen Modulen ohne den derzeit knappen Rohstoff Silizium aus und gelten in Branchenkreisen als zukunftsweisend.

58 7.58

59 7.59