Siliciumbasierte Photovoltaik: Gegenwart und Zukunftsperspektiven

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1 Siliciumbasierte Photovoltaik: Gegenwart und Zukunftsperspektiven W. Seifert, M. Kittler IHP/BTU Joint Lab BTU Cottbus Konrad-Wachsmann-Allee 1

2 Gliederung Einordnung der Photovoltaik Prognosen Energiebedarf Entwicklung Photovoltaikmarkt, wirtschaftliche Bedeutung Herausforderung Kostensenkung Si-basierte Photovoltaik warum? Kostenbilanz Solarmodule Herstellungsverfahren für solar-grade Si-Material Materialforschung/Prozessoptimierung Photovoltaik in Deutschland Zusammenfassung/Ausblick

3 Entwicklung des globalen Primärenergieeinsatzes Solarstrom wesentliche Energiequelle der Zukunft Quelle:

4 Potentiale erneuerbarer Energiequellen Quelle: UNDP, World Energy Assessment > Solarenergie mit größtem Potential

5 Entwicklung globaler PV-Markt = 20 km 2 Fläche (ca t Si) Starkes Wachstum der Photovoltaik tatsächlich erreicht!

6 Vergleich Photovoltaik und Mikroelektronik Umsatzentwicklung Siliciumnachfrage 1000 Sales ($, Billions) MICROELECTRONICS Sematech PHOTOVOLTAICS 25% annual growth system costs from ECN about 35 years Year

7 Si-Solarzellen: Funktionsprinzip, Wirkungsgrad Erzeugung von Überschussladungsträgern in Halbleitern durch Licht aus Sonnenspektrum mit hν > E g - > elektrisches Signal in Form von Gleichstrom/Gleichspannung max. erreichbarer Wirkungsgrad abhängig von Halbleitermaterial optimal: E g = 1.3 ev -> η = 30 % für nicht konzentrierte Strahlung für Si-Solarzellen (E g = 1.14 ev) theoretisch ca. 27 % erreicht im Labor: ca. 25 % (teurer Prozess, teures Material) industrielle Fertigung: um 15 % power [W/(m 2.nm)] solar spectrum convertible by c-si cell wavelength [nm]

8 Materialien für Solarzellen nach Marktanteil all thin films (a-si, CdTe, CIS...) ribbon Si 2 nd generation Gründe für Dominanz von Si: mono-si 1 st generation mc-si ausgereifte Technologie, Erfahrungen der Mikroelektronik geringe Alterung, lange Nutzung unbegrenzt verfügbar nicht toxisch Anteile im Jahr 2000: mc-si 42,2 %, mono-si 41,7 %, Ribbon Si 6,1 %, Dünnfilme 10,0 %

9 Entwicklungscenario PV-Preise price ( /Wp) Si material at present half of module cost 2010 ~ 0.10 / kwh in EU modules Balance Of System (BOS) system Source: ECN - W. Sinke World Energy Assessment UNDP, 2000 year

10 Bisherige Kostenentwicklung für Solarmodule Kosten Erfahrungs - Kurve Quelle: -> Produktionsvolumen für Kostensenkung erforderlich

11 Kosten, Standzeit und Wirkungsgrad Kosten des Solarstromes KS: KS = Systemkosten [ / W ] Systemlebensdauer peak [ a] geograph. Faktor [ peak h / a] mit Systemkosten Standzeit Sonnenschein-Äquivalent 5 /W peak 20 Jahren 800 peak h/a KS = 0,34 /kwh Verringerung der Kosten möglich durch: Erhöhung des Wirkungsgrades Verringerung der Modulkosten Erhöhung der Standzeit

12 Kostenaufteilung Silicium-Solarzellenmodule Quelle: Fortschritt in allen Bereichen erforderlich

13 Herstellungsverfahren für Solar-Silicium (I) Pulling of Single Crystals (Czochralski) Casting of Silicon Blocks heating single crystal Volumenmaterial crucible liquid silicon Edge defined Film fed Growth Ribbon Growth on Substrate solid/liquid interface plane pulling speed Si foil (octagon) casting frame speed of solid/liquid interface plane V k casting frame Si foil casting speed V Z Folienmaterial Material- u. Kostenersparnis liquid silicon liquid silicon solid/liquid Interface plane Substrate

14 Herstellungsverfahren für Solar-Silicium (II) Sägen: -> Materialverluste (50%), -> erhöhte Kosten,

15 Herstellungsverfahren für Solar-Silicium (III) EFG-Zucht bei RWE Schott Solar Si-Kristall in Form eines 8eckigen Rohres, 0,3mm Wandstärke!!! -> kein Sägen Einsparung von Material u. Kosten

16 Si-Einsparung durch dünne Wafer

17 Arbeiten am Joint Lab: Materialforschung für Si-PV Solarzelle Kristalldefekte Ziel: Reduzierung der negat. Auswirkung von Defekten

18 Photovoltaik in Deutschland Deutschland Großmacht in Photovoltaik: ca. 1/4 der glob. Prod. Deutsche Solar (Freiberg): Kapazität für Waferherstellung auf 160 MW ausgebaut (etwa 1 km 2 /a bzw. ca Wafer pro Tag!!!) Q-Cells (bei Wolfen): weltweit größter unabh. Hersteller von Solarzellen Erweiterung auf 300 MW in Realisierung RWE Schott Solar: Wafer und Zellen EFG-Wafer für 10MW (100 Ziehanlagen, Alzenau) Zellen 60MW (Alzenau), weiterhin in USA und Tschechien Ersol: Zellen 25 MW (Erfurt) Shell Solar: Wafer und Zellen, Gelsenkirchen 25 MW Sunways: Zellen (Konstanz, Arnstadt) ca. 45 MW Forschung an Universitäten/Hochschulen + sonst. Fo-Einrichtungen, ISE Freiburg, Konstanz, Hameln,

19 Zusammenfassung/Ausblick Kristallines Si bleibt dominierendes Material für Photovoltaik Produktion bis einige 100 km 2 Zellfläche / a Marktvolumen einige 10 Mrd. / a Langfristig. 10% Weltenergieproduktion aus PV? Beträchtliches Kostensenkungspotential künftige Herstellungskosten um 1 / W peak zukünftige Lebensdauer ca. 50 Jahre zukünftige Stromkosten 2,5 1,5 cent / kwh Beträchtlicher Anteil bei netzferner Nutzung Gute Eignung für 3. Welt mit ~ 2 Mrd. mögl. Nutzern: viel Sonne, wartungsarm, modular Problem: einfache umweltschonende Energiespeicherung

20 Photovoltaik für Entwicklungsländer Solar- Modul 2 Milliarden Menschen (1/3 der Weltbevölkerung) sind ohne Elektrizität Versorgung durch Solarzellen hat große Zukunftschancen Kostenreduzierung nötig

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