Stand und Perspektiven der Photovoltaik für die Stromerzeugung

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1 Stand und Perspektiven der Photovoltaik für die Stromerzeugung S.W. Glunz Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme Frühjahrssitzung des AKE, April 2004

2 Übersicht Das Spektrum der Photovoltaik Das Arbeitspferd: Die Siliciumsolarzelle Ein Hauch von Photovoltaik: Dünnschichtsolarzellen Halbleiter ade: Organische und Farbstoffsolarzellen Jenseits der Shockley-Queisser Grenze: Tandemsolarzellen und neue Konzepte S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 2

3 Evolution photovoltaischer Technologien, Beispiele Si-ribbon mono-si multi-si a-si CdTe CIS CVD-Si Farbstoff, organ. SZ III/V CuS/CdS mono-si 1954 Quelle: Luther, Fraunhofer ISE S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 3

4 Marktentwicklung Solarzellen aus Wafersilizium dominieren den PV-Markt schon seit geraumer Zeit Amorphes Silicium 300 MW p / a 2000 Band-Silicium Einkristall-Silicium Blockguss-Silicium 1990 Quelle: G. Willeke, Fraunhofer ISE 1980 S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 4

5 Solarzellen aus Siliciumwafern Stand und Perspektiven der Photovoltaik Si-ribbon mono-si multi-si a-si CdTe CIS CVD-Si Farbstoff, organ. SZ III/V CuS/CdS mono-si 1954 S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 5

6 Siliciumsolarzellen: Herstellungsprozess Silizium Wafer (Scheibe) Solarzelle Modul S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 6

7 Energy Payback NELT = Net Energy Life Time 25 Jahre (Lebensdauer des Systems) - 3 Jahre (Energy Payback Time, mc-si in unseren Breitengraden) = 22 Jahre (NELT) Ca. 90 % der Lebenszeit eines Photovoltaikmodules dienen der Nettoenergieerzeugung! Quelle: Photovoltaics for Decision Makers (Ed. Bubenzer/Luther), Springer Verlag 2003 S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 7

8 Produktion: Aufteilung nach Kontinenten Europa gut positioniert, aber massive Konkurrenz aus Japan Fa. Sharp (Japan): 198 MWp = 26% der Weltproduktion! Europa 27% Rest von Asien 4% Indien 3% Japan 49% Quelle: Photon International 2004 USA 14% Australien 3% S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 8

9 Produktionstechnologie Die Solarzellenfabrik von heute : Hochautomatisierte Produktionsstätten ausgerüstet mit speziell für die Photovoltaik entwickelten Geräten. Stand und Perspektiven der Photovoltaik Quelle: Deutsche Cell, Freiberg S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 9

10 Produktionstechnologie Die Solarzellenfabrik von heute : Hochautomatisierte Produktionsstätten ausgerüstet mit speziell für die Photovoltaik entwickelten Geräten. Stand und Perspektiven der Photovoltaik Quelle: Fraunhofer ISE S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 10

11 Das Ziel: Kostenreduzierung Stand und Perspektiven der Photovoltaik Kostenfaktor Silicium Modulproduktion Reduzierung der Waferdicke Erhöhung des Wirkungsgrades 20 % 40% 40 % 40 % 20% Solarzellentechnologie 40% Industrie η = 14-16% Labor η > 20% Wafer S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 11

12 Welchen Wirkungsgrad kann man überhaupt erreichen? Shockley, Queisser (1961): Grenze des Wirkungsgrades einer einfachen Solarzelle = 33% (AM1.5) Größter Verlust: Thermalisierung und Nichtabsorption Beste Siliciumzelle = 24.7% 75% des möglichen Leistungsdichte [W/m 2 µm] Nicht genutzte Energie der kurzwelligeren Photonen Genutzte Energie Optimale Wellenlänge Längerwellige Photonen können keine Ladungsträger generieren Wirkungsgrades! Wellenlänge [nm] S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 12

13 Zelltechnologie - Stand der Technik Kontakt ARC n-emitter pn- Übergang p-basis Kontakt Herstellungsprozess Sägeschaden entfernen + reinigen Textur Diffusion PSG, Finger) entfernen ARC Siebdruck Feuern Isolation S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 13

14 Stand der Dinge: 300 µm dicke Industriezelle Problemzone 1: Materialqualität zu gering Diffusionslänge von Ladungsträgern, die tief in der Basis erzeugt werden, reicht nicht aus um den rettenden pn- Übergang zu erreichen. - + η = 15.7 % Lösung: Zelle dünner machen S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 14

15 Schritt I: Dünne Zelle (150 µm) Problemzone 2: Rückseite elektrisch und optisch schlecht Ladungsträger rekombinieren an der Rückseite Langwelliges Licht wird nicht in der Zelle absorbiert Lösung: Rückseite verspiegeln und elektrisch passivieren Stand und Perspektiven der Photovoltaik η = 15.7 % S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page

16 Schritt II: Dünne Zelle mit optimierter Rückseite η = 19.8 % Optimierte Solarzelle mit guten optischen und elektrischen Eigenschaften Passivierungsschicht Reduzierte Kontaktfläche S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 16

17 Problem: Aufwendige Herstellung Prozeßfolge im Labor: Thermische Oxidation Photolack aufbringen Photolack belichten Entwickeln Oxid ätzen Photolack entfernen Al aufdampfen S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 17

18 Laser-Fired Contacts (LFC) Wie man eine ideale Rückseite in drei Prozeßschritten herstellen kann: Stand und Perspektiven der Photovoltaik 1. Passivierung (SiO 2, SiN) 2. Metallisierung (Al) 3. Laserfeuern der Punktkontakte Patent angemeldet S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 18

19 Laser-Fired Contacts (LFC) Stand und Perspektiven der Photovoltaik Bester Wirkungsgrad 21.5 % Aber: Schnell genug? REM-Aufnahme eines Laser-fired Contacts S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 19

20 LFC Pilotlinien-Lasersystem Laserquelle Pilotliniensystem für LFC am Fraunhofer ISE Anforderung: weniger als 3 s pro Wafer Rotierende Spiegel Automatisiertes Nd:YAG Lasersystem mit Scanner-Kopf Linse Silizium Wafer S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 20

21 Dünne und flexible Si-Solarzellen (LFC-Technologie) Wafer = 42 µm Wirkungsgrad = 20.2% S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 21

22 Dünnschichtsolarzellen Stand und Perspektiven der Photovoltaik Si-ribbon mono-si multi-si a-si CdTe CIS CVD-Si Farbstoff, organ. SZ III/V CuS/CdS mono-si 1954 S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 22

23 Dünnschichtsolarzellen: Amorphes Silizium Interessant für Gebäudeintegration Einfache Technologie, aber geringer Wirkungsgrad (5 %) 1 µm TCO a-si Ag Quelle: Forschungszentrum Jülich Gebäudeintegrierte a-si Technik: Stillwell Avenue Terminal, New York ca m², Quelle: RWE SCHOTT Solar S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 23

24 Dünnschichtsolarzellen: Amorphes + mikrokrist. Silicium Wirkungsgrade > 10% Keine Degradation Kaneka (Japan) 1 Licht Glas (1-4mm) Quanteneffizienz 0,8 0,6 0,4 0,2 top cell a-si:h bottom cell µc-si:h TCO a-si Si:H µc-si Si:H 3µm Wellenlänge (nm) S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 24 ZnO Ag Quelle: Forschungszentrum Jülich

25 Dünnschichtsolarzelle: Kristallines Silicium Hochtemperaturbeständiges Substrat Silicium (η = 17%) Keramik (η =10%) Siliziumschicht 25 µm Substrat 500 µm S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 25

26 Dünnschichtsolarzellen: CIS Stand und Perspektiven der Photovoltaik Cu(InGa)Se 2 Hohe Laborwirkungsgrade (19%) Monolithische Serienverschaltung ZnO:Al i-zno CdS CIGS Mo P1 P2 P3 P1 P2 P3 Glas monolithischer Kontakt Quelle: ZSW, Stuttgart S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 26

27 Dünnschichtsolarzellen: CIS Serienfertigung Stand und Perspektiven der Photovoltaik Quelle: Würth Solar S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 27

28 Alternative Materialien Stand und Perspektiven der Photovoltaik Si-ribbon mono-si multi-si a-si CdTe CIS CVD-Si Farbstoff, organ. SZ III/V CuS/CdS mono-si 1954 S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 28

29 Alternative Materialien: Farbstoffsolarzellen Wirkungsgrade bis 10% Neue Anwendungsfelder S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 29

30 Alternative Materialien: Organische Solarzellen Wirkungsgrade bis 5% Polymerblend: PCBM: C60-Molekül PPV: Konjugiertes Polymer PPV:PCBM ITO Glas S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 30

31 III-V Solarzellen und neue Konzepte Si-ribbon mono-si multi-si a-si CdTe CIS CVD-Si Farbstoff, organ. SZ III/V CuS/CdS mono-si 1954 S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 31

32 Jenseits des Shockley-Queisser Limits Überwindung des Shockley- Queisser-Limits (33%) Spektral bedingte Verluste Thermalisierungsverluste Nichtabsorption Leistungsdichte [W/m 2 µm] Nicht genutzte Energie der kurzwelligeren Photonen Genutzte Energie Optimale Wellenlänge Längerwellige Photonen können keine Ladungsträger generieren Wellenlänge [nm] S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 32

33 Jenseits des Shockley-Queisser Limits Überwindung des Shockley- Queisser-Limits (33%) Spektral bedingte Verluste Thermalisierungsverluste Nichtabsorption Tandemzellen 45.3% Tripelzellen 51.2% Quadrupelzellen 54.9%... Leistungsdichte [W/m 2 µm] AM15 GaInP GaInAs Ge Wellenlänge [nm] S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 33

34 Tripelsolarzellen aus III-V Halbleitern Hohe Wirkungsgrade > 30% Beste Tripelzelle 36.9% trip Ga 0.51 In 0.49 P Ga 0.97 In 0.03 As EQE [%] aktives Ge Wellenlänge [nm] S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 34

35 Herstellung von Tandem- und Tripelzellen MOVPE-Technologie AIX 2600 G3 8x4 Zoll Substrate pro Epitaxie S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 35

36 Konzentratorsolarzellen Stand und Perspektiven der Photovoltaik Ersetze teuren Halbleiter durch billige Optik! Sonne Konzentrator Solarzelle 30 % Elektrische Energie Passive Kühlung S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 36

37 Konzentratorkraftwerke Hohe Modulwirkungsgrade (22.7 %) Stand und Perspektiven der Photovoltaik Quelle: Fraunhofer ISE Quelle: Amonix, USA S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 37

38 Up-conversion Hochkonversion von infraroten Photonen Solarzellenstruktur kann bestehen bleiben Suche nach idealen Up-convertern Hohes Wirkungsgradpotential (47.6% bei unkonz. Sonnenlicht, 63.17% bei max. Konzentration) Solarzelle Up-converter Spiegel Nach: Truppke und Würfel S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 38

39 Heiße Ladungsträger Stand und Perspektiven der Photovoltaik Vermeidung der Thermalisierungsverluste Energieselektive Kontakte Hohes Wirkungsgradpotential (85% bei max. Konzentration) - + E g x S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 39

40 Zusammenfassung Stand und Perspektiven der Photovoltaik Die Photovoltaik ist den Kinderschuhen entwachsen und ein ernstzunehmender Industriezweig Sehr hohe Wachstumsraten (stetig!) Trotz momentan sehr kleinem Beitrag zum Energiemarkt ist sie die regenerative Energieform mit dem größten Potential Obwohl Silizium auch in den nächsten Dekaden den größten Marktanteil ausmachen wird, gibt es viele interessante Optionen für die mittlere und ferne Zukunft. Deutschland ist einer der wichtigsten Technologie- und Wissensstandorte S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 40