Photovoltaik - Forschung und Verfahrensentwicklung im Zeichen der Nachhaltigkeit.

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1 Photovoltaik - Forschung und Verfahrensentwicklung im Zeichen der Nachhaltigkeit. Hans-Werner Schock (HMI), Reiner Klenk (HMI), Ralf Preu (ISE), Johann Springer (ZSW), Jan Schmidt (ISFH), Wolfhard Beyer (FZJ). Photovoltaik als Energiequelle Technologien Marktentwicklung Voraussetzung für Nachhaltigkeit Energierückzahlzeit Emissionen Materialbedarf Entwicklungen für die Nachhaltigkeit Effizienzsteigerung Materialersparnis Emission bei der Produktion Recycling

2 Photovoltaik als Energiequelle Photovoltaik ist modular: universell und unbegrenzt einsetzbar in beliebigen Leistungsbereichen - integrierbar in nahezu jede beliebige Infrastruktur - emissionsfrei im Betrieb - keine sich bewegenden Komponenten - technische Anforderungen für Installation gering - sehr geringer Wartungsbedarf - minimales Geräusch (Wechselrichter)

3 Photovoltaiktechnologien Photovoltaik hat viele Optionen: Kristalline Solarzellen Silizium: monokristallin multikristallin kristalline Bänder Dünnschichtsolarzellen Silizium: amorph mikrokristallin polykristallin Verbindungshalbleiter: CIS: Cu(In,Ga)Se 2 CuInS 2 CdTe Konzentratoren kleine Hocheffizienzzellen mit optischer Konzentration Organische Solarzellen eine nachhaltige Entwicklung braucht die Vielfalt der Entwicklungsmöglichkeiten

4 2000 PV Produktion Produktion (MWp) Wachstum > 25% /Jahr Jahr geschätzt Gesamtproduktion weltweit Quelle: P. Maycock, PV News, EPIA

5 Photovoltaik-Marktentwicklung Installationen Installierte PV-Leistung (MWp) Deutschland Installierte PV-Leistung (MWp) Weltweit * Jahr * Jahr Quelle: IEA-PVPS, Trends in PV Applications (2004); *Prognose 2005: LBBW, Branchenanalyse Photovoltaik 2005

6 Lernkurve für Preisreduktion 80% Lernkurve: Modulpreis verringert sich um 20% bei Verdopplung der Gesamtproduktion Kostenreduktion hat mehrere Optionen 100,0 PV M odulpreis ( /W p) 10,0 1,0 0,1 Stand Ende % akumulierte Gesamtproduktion (MWp) Quelle: T. Surek NREL O. Hartley, J. Malmstöm, A. Milner, 21 st EUPVSC, Dresden 2006

7 Voraussetzungen für die Nachhaltigkeit Betrachtung des gesamten Lebenszyklus: Materialgewinnung Verfügbarkeit umweltverträgliche Herstellung/Reinigung Produktion geringe Emissionen geringer Energiebedarf Betrieb geringe Emission kurze Energierückgewinnungszeit lange Lebendauer Recycling kostengünstige effiziente Verfahren

8 Energierückgewinnungszeit/ Erntefaktor Energierückgewinnungszeit: Erntefaktor: Hängt ab von Technologie und Standort Gewonnene Energie/aufgewandte Primärenergie, berücksichtigt Lebensdauer Energierückgewinnungszeit von Photovoltaiksystemen aus kristallinem Si (Dachmontiert, Südeuropa 1700kWh/m 2 a, Mitteleuropa 1000 kwh/m 2 a) "Balance of System" Rahmen Modul Quelle: E. Alsema, Workshop EHS, Waste and Recycling Issues, EPIA, ADEME, 2006, Paris

9 Energierückgewinnungszeit/ Erntefaktor Energierückgewinnungszeit EPBT [a] Dünnschichtmodule- abhängig vom Produktionsvolumen Bereich aktueller Produktion von CIGS Solarzellen Production Capacity [MW/a] Quelle: M. Shibasaki, N. Warburg, J. Springer, Sustainability Evaluation of Solar Energy Systems (SENSE), FP5 ENK5-CT

10 3,5E-11 3E-11 2,5E-11 2E-11 1,5E-11 1E-11 5E-12 0 GWP 100* AP* EP* POCP* ODP* * CML normalized to Europe Umwelteinfluss Umwelteinfluss einer durchnittlichen Average thin film (CIGS, CdTe, a-si) compared to UCTE - Dünnschichttechnologie (CIS, a-si) Ground mounted power plant in Central Europe im Vergleich zu Impact konventionellem [-]/ GJ Electricity Kraftwerk DS Solarzelle konvent. Energiemix Life Cycle with ST2 UCTE Treibhauseffekt, Global Warming Potential (GWP) Photochemische Oxidation Photochem. Oxid. Pot. (POCP) Versauerung, Acidification Potential (AP) Überdüngung, Eutrophication Potential (EP) Ozonverarmung, Ozone Depletion Potential (ODP) Giftwirkung auf Menschen, Human Toxicity Potential (HTP) Eingesetzte Primärenergie für die Produktion von Elektrizität Primary Energy per GJ Electricity Primärenergie (MJ)/GJ Elektrizität [MJ/GJ Electricity] DS Solarzelle konvent. Energiemix Quelle: M.Shibasaki, N. Warburg, J.Springer, S. Lombardelli, 21st EUPVSC Dresden 2006

11 Entwicklungsziele Verbesserung des Wirkungsgrades Energieeinsparung Materialeinsparung Umweltkompatible Prozessführung Recycling

12 Kristalline Si Solarzellen Materialverbrauch: Dünne Wafer Wirkungsgrad: Neue Technologien für Kontakte auf der Rückseite Niedertemperaturprozesse RISE-Solarzelle (ISFH): η = 22 % Förderung: BMU

13 Einkristalline Si-Dünnschicht-Solarmodule mit Schichttransfer-Verfahren (PSI), ISFH Einkristalliner Si-Wafer erhält poröse Trennschicht Einkristalline Si-Dünnschicht (5-25 µm) wird mit hoher Rate aufgewachsen Herstellung der Solarzellen mit Standard-Waferprozessen Transfer der Schicht auf Glassubstrat Wiederverwendung des Substrat-Wafers η = 12.1 % (9 x 9 cm 2 ) B. Terheiden, R. Horbelt, R. Brendel, 21st EU-PVSEC, Dresden, 2006

14 a-si:h / c-si Heterostrukturen und Solarzellen Vorteile: Sehr gute Passivierung von c-si niedrige Prozesstemperaturen (200 C) Wafer-basierte Solarzellen Poly-Si Dünnschichtsolarzelle 0,2 mm ZnO: 80 nm a-si:h(p +,n + ): ~5 nm c-si(n, p) mc-si, EFG, poly-si Wafer a-si:h(n +, p + ): ~35 nm η@hmi = 19,8 % TCO a-si:h, n + c-si p + Glas 0,02 0,002 mm hohe Wirkungsgrade für Wafer-basierte Solarzellen vielversprechendes Konzept für Dünnschichtsolarzellen Nachhaltig durch hohe Effizienz und geringen Energieeinsatz

15 Systeme mit optischer Konzentration 8-16 Monate Energierückzahlzeit, abhängig vom Standort III-V Tandemzellen Fresnellinsen Punktfokus mit C geo > 500 Glasgehäuse FLATCON Konzept

16 Dünnschichttechnologien Solarzellen auf Folie Fassadenintegration

17 Energieverbrauch der Halbleiterherstellung Prozesstechnologie für CIS Chalkopyritmodule Substrat Glas oder Folie Sputtering 530 C Chemisches Bad Sputtern CuInS 2 CuS Mo S Heteroübergang ZnO Fenster 12 Prozesstechnologie für CIS Chalkopyritmodule Nur ein Temperaturschritt (< 4 min.) bei mäßiger Temperatur (< 600 C) Wirkungsgrad [%] ,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Haltezeit t sulf bei T= 530 o C [min]

18 Deposition von Dünnschicht-Si Niedertemperaturprozess Problemlose Reinigung der Prozesskammer mit Gasphasenprozess als wichtiger Prozessschritt Alternative: NF 3 -Weniger klimaaktiv -geringere Auswirkung auf nachfolgende Si Depositionen -Gasausnutzung von nahe 100% möglich SiH 4, H 2 Bisher (u.a.) Reinigung durch Ätzen mit SF 6 + O 2 Problem: SF 6 ist ein hoch klimaaktives Gas laut Kyoto-Protokoll Arbeiten am FZJ ( in Kooperation mit der TU Dresden und gefördert vom BMBF):

19 Neue Konzepte Reduktion des Materialeinsatzes Nano-strukturiert für vollständige Absorption in ultra-dünnen Schichten Abkehr vom herkömmlichen Funktionsprinzip der pn-diode ITO ZnPc C 60 BCP Al ~4.1 ev ~4.5 ev 4.2 ev ~4.8 ev ~5.1 ev 17nm 30nm 30nm Schema einer organischen Solarzelle ZnO Stäbchen für nanostrukturierte Solarzellen Organisch oder anorganisch (ETA)

20 Zusammenfassung Photovoltaik ist eine nachhaltige, universelle Energiequelle Silizium Wafertechnologien tragen gegenwärtig den Markt Lernkurve erfordert neue Ansätze zur Kostenreduktion - Neue Prozesse und Strukturen für Solarzellen aus kristallinem Silizium - Dünnschichtsolarzellen - Neue Konzepte Lebenszyklus der Photovoltaikmodule muss nachhaltig sein - kurze Energierückgewinnungszeit - kontrollierter Materialeinsatz, Recycling Forschung im FVS widmet sich einem breiten Themenspektrum, um die nachhaltige Entwicklung zu gewährleisten