Perspektiven und Herausforderungen der Photovoltaik Bernd Rech Helmholtz-Zentrum Berlin und Technische Universität Berlin

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1 Perspektiven und Herausforderungen der Photovoltaik Bernd Rech Helmholtz-Zentrum Berlin und Technische Universität Berlin (vielen Dank an: Hans-Werner Schock, Tobias Sontheimer, Wolfgang Eberhardt, Rutger Schlatmann, Christian Boit, et al TU/HZB/PVcomB)

2 Inhalt Potenziale und Status erneuerbarer Energien Photovoltaik: Anwendungen, Technologien, Kosten Dünnschichtphotovoltaik Status und Herausforderungen PV Technologien der Zukunft Zusammenfassung

3 Physikalisches Potenzial erneuerbarer Energien PV exploits virtually limitless solar energy resources Sonnenenergie (Kontinente) Current global primary energy consump3on (GPEC) Solar power (con3nents, 1800 x GPEC) Wind energy (200 x GPEC) Biomass (20 x GPEC) Geothermal energy (10 x GPEC) Ocean and wave energy (2 x GPEC) Hydro energy (1 x GPEC) F. Nitsch, DLR globaler jährlicher Energieverbrauch

4 Potenzial der Solarenergie

5 Energieversorgung und Klimaschutz Erneuerbare Energien Energie bezogene CO 2 -Emission zunehmende Rolle in der ersten Hälfte dieses Jahrhundets können/müssen langfristig die/ eine Hauptlast der Energieversorgung übernehmen Zu lösen/beachten sind u. A.: ein ansteigender globaler Energiebedarf eine wachsende Bevölkerung wirtschaftliche und gesellschaftliche Akzeptanz Verteilung und Speicherung Szenario mit nur 2 C globaler Erwärmung Key Graphs, World Energy Outlook 2008 International Energy Agency

6 Erneuerbare Energien in D Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland 2009, AGEE-Stat, BMU, März EEV nach ZSW, vorläufige Schätzung 2 feste, flüssige, gasförmige Biomasse, biogener Anteil des Abfalls, Deponie- und Klärgas

7 Erneuerbare Energien in D Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland 2009, AGEE-Stat, BMU, März 2010 * Biomasse: fest, flüssig, gasförmig, biogener Anteil des Abfalls, Deponie- und Klärgas ** Biomasse: fest, flüssig, gasförmig, biogener Anteil des Abfalls

8 Inhalt Potenziale und Status erneuerbarer Energien Photovoltaik: Anwendungen, Technologien, Kosten Dünnschichtphotovoltaik Status und Herausforderungen PV Technologien der Zukunft Zusammenfassung

9 Photovoltaik Prinzip: Direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom in Halbleiterbauelementen Technische Potenzial: Sehr hoch und (fast überall) anwendbar Special feature : Skalierbar von kw zu multi-mw Systemen

10 Wo werden Solarzellen eingesetzt?

11 Netzferne Industrienanwendungen Quelle: SCHOTT Solar GmbH

12 Kleinanwendungen

13 Entwicklungsländer Quelle: SCHOTT Solar GmbH

14 Netzgekoppelte Anlagen: Gebäude Source: Schott Solar main station Berlin Source: BSW-Solar/Viessmann Source: BSW-Solar/Langrock

15 Fassaden Source:Sulfurcell

16 Freilandanlagen Photovoltaic-plant Lieberoser Heide 53 MW (CdTe) source: Juwi / First Solar Photovoltaic-plant: Solarpark Buttenwiesen a-si:h: 1 MW source: Phönix Solar

17 DESERTEC Strom aus der Wüste

18 Smart Grids Intelligente Netze Fahrzeug heute (Biodiesel): m 2 H 2 -Fahrzeug (H 2 aus Biomasse): 1000 m 2 H 2 -Fahrzeug (H 2 aus PV-Strom): ca. 60 m 2 Elektro-Fahrzeug (PV-Strom): < 20 m 2 EnBW, Kundenzeitschrift M. Powalla, ZSW

19 Photovoltaik Perspective: Significant contribution to future energy mix Industrial dynamics: Strong growth and significant impact on employment Synergies: Microelectronics, glass-coating, flat-panel displays, automation, chemical industry, thin-film equipment scenario: renewables in Germany energy (PJ/y) Geothermal Solar Radia3on Biomass Wind Water World-wide: 100,000 PJ/y (2050) 2100 scenario after Wiss. Beirat der Bundesregierung 1,000,000 PJ/y year scenario aher Leitstudie 2008, BMU

20 Photovoltaik Production of PV Power (MW) Mehr als 40 % Wachstum pro Jahr Modulwirkungsgrade c-si: 12-20% Dünnschicht: 6-12 % theoretisches Limit : 85 % Quelle: PV News, Paul Maycock, editor

21 SOLARZELLEN Rekorde (Forschung) und Technologien

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23 c-si Wafertechnologie (> 80 % Marktanteil) Wafer-Herstellung Solarzellen-Prozess 800 C Schmelze POCl 3 Czochralski-Verfahren Mono c-si 300 µm n p Blockgießen: Multi c-si Dotierung Passivierung Kontaktierung

24 Die Kosten für Solarstrom müssen sinken Solarstrom Kundenstrompreis Kraftwerksstrompreis Marktunterstützung notwendig: Source: RWE Energie AG and RSS GmbH

25 Beispiel Mikroelektronik 30 Jahre DRAM Moore s Law Preiserfahrungskurve neue Technologieschritte Quelle: Applied Materials, Semiconductors Group

26 Preiserfahrungskurve der Photovoltaik Thin Film W. Hoffmann et al., 24th EU-PVSEC, Hamburg 2009

27 Inhalt Potenziale und Status erneuerbarer Energien Photovoltaik: Anwendungen, Technologien, Kosten Dünnschichtphotovoltaik Status und Herausforderungen PV Technologien der Zukunft Zusammenfassung

28 Die PV-Familie The solar cell familiy photovoltaic materials Silicon Compound Semiconductors Organic New Concepts/ hybride Wafer Thin Film II-VI compounds III-V compounds Dye cells 2 photons intermediate gap Mono asi/µcsi CdTe Multijunction Polymer carrier multiplication Poly Crystalline Chalcopyrite CIGSSe multijunction concentrator small molecules up/down conversion 28

29 Vorteile der Dünnschichtphotovoltaik Material usage/cost (1-3 vs 200 µm) High productivity (large area) Monolithic series connection Energy pay back time New Products (e.g.. flexible) Source Sunfilm Source Sulfurcell Source: Sunload/ Global Solar Germany 29

30 Erntefaktor / Energierückzahlzeit Jährlich produzierte elektrische Energie mit Solarmodulen: Südeuropa Deutschland 1800 kwh pro installiertem kw Leistung pro installiertem kw Leistung Heutige Solarmodule habe 25 Jahre garantierte Lebensdauer Betriebsjahre nach denen Solarmodule die zur ihrer Erzeugung notwendige Energie erzeugt haben: Si-Wafertechnologie: 2-4 Jahre Dünnschichttechnologie: 1-2 Jahre (heutige Produktionsverfahren das wird noch besser!)

31 Die drei wichtigsten Dünnschichttechnologien (in der Anwendung): a-si&µc-si, CdTe, CIS Production technology Module efficiency 2008 Module efficiency 2012 Shipments 2008 a - Si / µ c - Si - industrial mass production - Turn-key solutions 6-9 % 10 % ca. 270 MW p CdTe - industrial mass production - CdTe: fast process 8-10 % 12 % ca. 440 MW p CIS - industrial mass production - CIS process individual 9-12 % 14 % ca. 50 MW p

32 Dünnschicht PV-Produktion in D Thin Film-PV in Germany Fabrication of Solar Cells Thin Film Si Compound Semiconductors Quelle: Photon

33 F&E-Bedarf: Innovation durch Erkenntnis Verbesserte Charakterisierung von Materialien und Grenzflächen Optimierung der Prozesse DESIGN der FUNKTION Licht-Einkopplung Optimierung der Ausbeute Ladungstrennung Verlustfreie Kontakte Diffusions Barrieren poly-si a-si (p+) (p+) poly-si a-si (p-) (p-) poly-si (n+) ZnO:Al front contact glass CHARAKTERISIERUNG Materialzusammensetzung und Elementverteilung Defekte und optoelektronische Eigenschaften Deposition und Kristallisation Prozesskontrolle

34 PVcomB: Das strategische Element der Industriekooperation PVcomB schließt die Lücke zwischen Grundlagenforschung und Industrie Produktion Training an Industrieanlagen Verbesserung industrieller Prozesse Anpassung von Konzepten an den Markt Technologie Transfer und Training grundlegende Forschung PV Programm in der Helmholtz Gemeinschaft Mathematics for key technologies MATHEON (DFG) Bachelor und Master Programme an TU Berlin und HTW

35 Wertschöpfungskette in der PV Solarmodulentwicklung: vom Material über das Bauelement bis zum System Anwendung in Systemen Industrielle großflächige Prozesstechnik Si H Si Solarzellen und Prototypen grundlegende Material- Eigenschaften und vice versa Probleme aus der Anwendung angewandte und Grundlagenforschung

36 - Grundlagenforschung Dünnschicht-PV - Technologieentwicklung - Technologietransfer - Lehre in PV - Analytische Verfahren - Halbleiteranalytik - Hybride PV - Si-Dünnschicht-PV - Angewandte mathematische Methoden - Lehre Regenerative Energien - Lasertechnologie

37 Inhalt Potenziale und Status erneuerbarer Energien Photovoltaik: Anwendungen, Technologien, Kosten Dünnschichtphotovoltaik Status und Herausforderungen PV Technologien der Zukunft Zusammenfassung

38 Neue Bauelemente und Materialien η 50% 40% 20% Dye/organics/ hybride Thin film Si wafer III/V Conc. Cost per area

39 TEM images Poly-Si Dünnschicht Solarzellen T dep =300 C & SPC at 600 C glass ZnO:Al poly-si T dep =600 C glass ZnO:Al poly-si 500nm Crystalline grains (1-3µm) solid phase crystallized silicon Columnar growth 500nm direct growth of crystalline silicon Note: Carrier mobility in ZnO:Al boosted to 67 Vs/cm 2 due to SPC of Si Ruske et al. JAP 2010

40 Poly-Si Dünnschicht Solarzellen Deposition rate: 600 nm/min Poly-Si thin film mini-modules by high-rate electron-beam evaporation J-V characteristics of a cm 2 mini-module on planar glass 50 nm poly- Si (p+) e- beam 1.5 µm poly- Si (p- ) e- beam 30 nm poly- Si (n+) PECVD glass superstrate 12 cells Efficiency record of 6.7% for mini-modules without light trapping (latest result 7.9 % 35 th IEEE 2010)

41 Silizium-Dünnschicht PV: Neue Optionen mit einem klassischen Material efficiency high efficiency tandem Cells 20 % 15 % nano -scaled local contacts! perfect passivation Bulk and interfaces optimised light trapping concept high growth rates increase in grain size wide-gap Si (quantum size effects) today mid term long term very long term

42 Speicherbare PV: Beat the Leaf Take the Beat the Leaf challenge

43 Speicherbare PV: Beat the Leaf Wasserstofferzeugung über Elektrolyse Zukunftsvision: Photovoltaik trifft Katalyse: Ziel: direkte photo-elektrochemische Wasserspaltung mit kostengünstigen nanostrukturierten Katalysatoren l i g h t e l e c t r o l y t e H + H 2 anti-corrosion buffer layer Solarzelle) s u b s t r a t e O 2 H O 2 e l e c t r o l y t e Forschungsbedarf: kostengünstiger, verfügbarer Katalysator S. Fiechter et al. HZB

44 Speicherbare PV: Beat the Leaf Erzeugung von chemischen Brennstoffen mit Photokatalyse Novel cell uses light to produce H2 at 12,4% efficiency Photo-elektrochemische Zelle zur Erzeugung von Treibstoffen Ersatz von Edelmetallen (Platin) als Katalysator durch hinreichend vorhandene Materialien Bezahlbare PV-Technologie Ohmic contact Photovoltaic cell Tunnel diode interconnect Photelectrochemical cell Oscar Khaselev and John A. Turner, A Monolithic Photovoltaic- Photoelectrochemical Device for Hydrogen Production via Water Splitting Science 280 (1998) 425

45 Ziele der PV Forschung Skalierbare Bauelemente und Prozesse für die PV Industry der Zukunft Vision: Kostengünstige Brennstoffproduktion durch integrierte Bauelemente (PV und Katalyse) Advanced thin film solar cells Solar fuels Novel concepts Analytics and modelling Notwendig: Umfassendes wissenschaftliches Verständnis der Materialien, der Prozesse und der Bauelemente

46 Zusammenfassung Die Photovoltaik ist eine der Schlüsseltechnologien der Zukunft Das technische Potenzial ist riesig Der Proof of Concept exisitiert die technische Machbarkeit ist gegeben Es gibt aber noch immensen Forschungsbedarf für die Komponenten und Systeme der Zukunft