Forschung und Entwicklung für die Photovoltaik zwischen Evolution und Revolution

Transkript

1 Forschung und Entwicklung für die Photovoltaik zwischen Evolution und Revolution Prof. Dr. Jan Schmidt, Prof. Dr. Rolf Brendel ISFH Dr. Andreas Bett ISE Prof. Dr. Vladimir Dyakonov, Prof. Dr. Christoph Brabec ZAE Dr. Reiner Klenk, Dr. Bernd Stannowski HZB Prof. Dr. Uwe Rau, Prof. Dr. Thomas Kirchartz FZJ Dr. Wiltraud Wischmann, Dr. Erik Ahlswede ZSW

2 Photovoltaik-Wachstum weltweit 49% durchschnittliches jährliches Wachstum seit 2003! Quelle: IEA Technology Roadmap Solar Photovoltaic Energy, 2014

3 Kosten von PV-Strom im Sinkflug 52 ct/kwh 73% Kostenreduktion 13 ct/kwh (Dach, klein) 9 ct/kwh (Freifläche) Quelle: EuPD / BSW-Solar Q2-2013; Graph: PSE AG

4 Kosten von PV-Strom im Sinkflug 52 ct/kwh 73% Kostenreduktion Weitere drastische Kostenreduktion der PV durch höhere Wirkungsgrade, neue Prozesse und Materialien! 13 ct/kwh (Dach, klein) 9 ct/kwh (Freifläche) Quelle: EuPD / BSW-Solar Q2-2013; Graph: PSE AG

5 PV ist heute wirtschaftlicher als Atomstrom! 11,2 cent/kwh auf 35 Jahre garantiert!

6 F&E von der Entwicklung neuer Konzepte bis zum Technologietransfer Proof of concept Machbarkeit Produktion Profit Anlagentypen Labor a-tool Produktion Produktion *Solarzellen pro Jahr Labor Technikum Pilotproduktion Entwicklungsziel Produktionstauglichkeit *Entwicklungsdauer [Jahre] Mio n.a. 100 Mio. * geschätzte Werte

7 F&E von der Entwicklung neuer Konzepte bis zum Technologietransfer Proof of concept Machbarkeit Produktion Profit Anlagentypen Labor a-tool Produktion Produktion *Solarzellen pro Jahr Labor Technikum Pilotproduktion Entwicklungsziel Produktionstauglichkeit *Entwicklungsdauer [Jahre] * geschätzte Werte Mio n.a. FVEE Institute 100 Mio.

8 Si-Wafer-basierte Photovoltaik

9 Fortschritte bei der Oberflächenpassivierung Passivierung von Si-Oberflächen mit Al 2 O 3 und liefert S < 10 cm/s PERC-Laborzellen mit Rekord-Wirkungsgrad von 21,7% (2 2 cm 2 ) J. Schmidt et al., Prog. PV 16, 461 (2008); P. Saint-Cast et al., IEEE EDL 31, 695 (2010) D. Zielke et al., Phys. Stat. Sol. RRL 5, 298 (2011)

10 PERC-Solarzellen mit industriellen Prozessen Ag finger SiN x Emitter BSF Aluminium AlO x SiN y Innovationen für industrielle Solarzellen der nächsten Generation: - Rückseitenpassivierung mit AlO x /SiN y - Laserprozessierung - Metallisierung 21,2% Weltrekord-Wirkungsgrad für Siebdruck-Solarzelle (15,6 15,6 cm 2 ) H. Hannebauer et al., Phys. Status Solidi RRL 8, 675 (2014)

11 Neues Konzept: passivierte Kontakte mit poly-si Passivierende & Ladungsträgerselektive Kontakte Sehr gute Passivierwirkung erreichbar durch Kombination von ultradünnem SiO x und poly-si-schicht V oc.impl > 720 mv gemessen an Teststrukturen ohne Metallkontakte R. Peibst et al., IEEE J. Photovolt. 4, 841 (2014) F. Feldmann et al., Sol. En. Mat. Sol. Cells 131, 46 (2014)

12 Rekordsolarzellen mit passivierten Kontakten Rekordsolarzelle mit ganzflächig passiviertem Kontakt an der Rückseite zeigt exzellente Spannungen V oc und Füllfaktoren FF V oc J sc FF η [mv] [ma/cm 2 ] [%] [%] F. Feldmann et al., Solar Energy Materials and Solar Cells 131, 46 (2014)

13 Neues Konzept: Polymer/Si-Heteroübergänge 2.5 c-si/pedot:pss heterojunction 1/ eff -1/ Aug [1/ms] standard PEDOT:PSS V oc.limit = 694 mv optimized PEDOT:PSS V oc.limit = 708 mv 0.5 2x x x x Excess carrier concentration n [cm -3 ] SiN x Vorderseitenmetallisierung n + Tunneloxid PEDOT:PSS Rückseitenmetallisierung Silizium Löcher-leitendes Polymer PEDOT:PSS liefert überraschend gute Passivierung mit Tunneloxid V oc.limit = 708 mv an Teststrukturen mit optimiertem PEDOT:PSS Laborsolarzellen mit PEDOT:PSS auf Rückseite ( BackPEDOT ): V oc [mv] J sc [ma/cm 2 ] FF [%] η [%] J. Schmidt et al., 6 th World Conf. on Photovolt. En. Conv., Kyoto, Japan, Nov. 2014

14 Si-Dünnschicht-basierte Photovoltaik

15 V OC (mv) current density (ma/cm²) FVEE Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende Phasenübergänge aktiv gestalten Poly-Si auf Glas 5-40 µm dicke Si-Schichten auf Glas mit großen einkristallinen Gebieten Sehr hohe Leerlaufspannung V oc = 656 mv Rekord-Wirkungsgrad von 11,8% thin-film on glass waferbased (pn) LPC (pn) monocrystalline SPC (pn) multicrystalline µc-si (pin) this work Hänni et al. van den Donker et al. Hänni et al. Matsuyama et al. van Gestel et al. Keevers et al. Dore et al. Amkreutz et al. Moslehi et al. Schultz et al. w grain >= w absorber 0,01 0, grain-size or absorber thickness (µm) Taguchi et al. Masuko et al. Cousins et al. Zhao et al. Schmich et al. Peter et al. J. Haschke et al., Solar Energy Materials and Solar Cells 128, 190 (2014) Voc 632 mv jsc 27.8 ma/cm² FF 67% efficiency 11.8% voltage (mv)

16 Flüssig prozessiertes Silizium T. Bronger et al., Adv. Ener. Mat. 4, (2014)

17 Chalkopyrit-basierte Photovoltaik

18 CIGS-Dünnschichttechnologie: Hohe Effizienzen in Zelle und Modul Starre Module Flexible Module Zelle 0,5 cm² Weltrekord-Zelle (ZSW) h = 21,7% Labor Zellen h = 18,6% Technikum Module bis 12,9% Modul Modul (ZSW) h > 15% 30 x 30 cm² inkl. integrierter Verschaltung 20 x 30 cm² lierter Stahl P. Jackson et al., Phys. Status Solidi RRL 8, 219 (2014)

19 Konzentrierende Photovoltaik auf der Basis von Mehrfachsolarzellen

20 Spectral irradiance [W/m 2 µm] FVEE Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende Phasenübergänge aktiv gestalten Der Vorteil von Mehrfachsolarzellen Reduzierung der Thermalisierungs- und Transmissionsverluste! Sehr hohe Wirkungsgrade > 50 % prinzipiell möglich! Ge Si GaInP GaAs GaInAs Thermalization losses AM1.5 spectrum Si (1.12 ev) Energy that can be used by a Si solar cell Transmission losses Wavelength [nm] Spektrale Bestrahlungsstärke1500 AM1.5 Sonnenspektrum GaInP-Zelle (1.93 ev) GaAs-Zelle (1.42 ev) GaInAs-Zelle (1.03 ev) Ge Zelle (0.66 ev) Wellenlänge [nm]

21 V OC [V] Eff. [%] FF [%] FVEE Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende Phasenübergänge aktiv gestalten 44.7 % Wirkungsgrad einer Wafer-gebondeten 4-fach Solarzellen lot12-01-x17y h max = 44.7 C= Concentration [x, AM1.5d, ASTM G173-03, 1000 W/m²] Neuester Wirkungsgrad: 46.5% bei 324 Sonnen (noch unbestätigt) F. Dimroth et al., Progress in Photovoltaics 22, 277 (2014)

22 Count [-] FVEE Jahrestagung 2014: Forschung für die Energiewende Phasenübergänge aktiv gestalten FLATCON Module mit Wafer-gebondeten 4-fach Solarzellen CSOC 35.0 % (Concentrator Standard Operating Condition, 900 W/m², 20 C amb ) CSTC 36.7 % (Concentrator Standard Testing Conditions, 1000 W/m², 25 C cell ) 200 Freiburg, Outdoor Physical reasonable: 2131 Stable conditions: 871 CSOC rating conditions: Efficiency [%]

23 Organische Photovoltaik

24 Flüssig prozessierte Perowskit-Solarzellen 10 5 ITO/TiO2/MAPbI3/SpiroOMeTAD/Au dark AM1.5G Current Density [A/cm 2 ] x Voc = 985 mv jsc = ma/cm 2 ff = 65% efficiency = 13.00% polykristalline Methylammonium-Bleiiodid Schicht Voltage [V]

25 Zusammenfassung Preis von Photovoltaik-Systemen ist in den letzten 7 Jahren über 70% gesunken Aktuelle Stromgestehungskosten von 9 ct/kwh (Freifläche) bis 13 ct/kwh (Dach) Weitere drastische Kostenreduktion der PV erfordert: - Entwicklung neuer Konzepte und Materialsysteme - Demonstration von Prototypen hoher Wirkungsgrade Die Innovationen werden zu Industriepartnern transferiert und leisten einen wichtigen Beitrag zur Kostensenkung (Technologiezentren der FVEE-Institute)

26 Danke für die Projektförderungen und für Ihre Aufmerksamkeit!