Photovoltaik - billiger und leistungsfähiger

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1 Photovoltaik - billiger und leistungsfähiger Prof. Volker Wittwer Fraunhofer Institut für Solare Energie Systeme ISE Innovationen für Energie und Klimaschutz

2 Inhalt: Einführung, Umfeld Situation im Bereich Photovoltaik Entwicklungspotentiale Ausblick 2

3 Exemplary path, global primary energy geothermal other renewables solar thermal (heat only) solar power (PV and solar thermal generation) wind biomass (advanced) biomass (traditional) hydroelectricity nuclear power gas coal oil EJ/a Source: German Advisory Council on Global Change, 2003, year 50 TW

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5 Endenergieverbrauch in EU 25 Ländern Verkehr 31% Strom 20% Wärme 49% Ziel Verkehr 25% trom Strom 50% Wärme 25%

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7 Marktentwicklung u. install. PV-Leistung in D Jährl. neu install. Leistung [MWp/a] Jährlich neu installierte Leistung [MWp/a] Gesamte installierte Leistung [MWp] Kummul. install. Leistung [MWp] Quelle: BMU 7

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9 Photovoltaische Technologien (Gesamt in %) 100 CdTe 80 CIS Ribbon c-si a-si Mono c-si Multi c-si CdTe a-si nach: Photon 04/2008 9

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11 c-si PV Module Price Learning Curve (25%/a) 100 [ /W p ] 10 η cell [%] = R&D 1 d [µm] = Cumulative Installed Peak Power [GW p ] 11

12 Kostenreduktion in der Photovoltaik Höhere Wirkungsgrade Weniger Materialverbrauch Preiswertere Materialien Optimierte Produktionstechnologien Neue Konzepte der photovoltaischen Energiekonversion 12

13 High Efficiency Solar Cell Design Simulation: Thickness Dependence of Cell Efficiency η [%] Improved Light Trapping Improved Surface Passivation Production Cell Diffusion length = 300 µm d [µm] 13

14 Laserprozessierte Rückseitenkontaktsolarzelle aus Czochralski Silizium für die industrielle Produktion V oc = 655 mv J sc = 40.8 ma/cm 2 FF = 78.7 % A = 2x2 cm² η = 21.0 % p-diffusion n-typ Silicium n-diffusion Antireflexschicht n-diffusion p-kontakt n-kontakt 14

15 Kostenreduktion in der Photovoltaik Höhere Wirkungsgrade Weniger Materialverbrauch Preiswertere Materialien Optimierte Produktionstechnologien Neue Konzepte der photovoltaischen Energiekonversion 15

16 Höchsteffiziente dünne Laborzelle aus monokristallinem Silicium Waferdicke = 42 µm Wirkungsgrad = 20,2% 16

17 Dünnschichtsolarzellen aus kristallinem Silicium (KSD) Warum dünnes Silicium? Wafer Wafer >40% der Kosten pro Modul Reduktion des Si-Verbrauchs bis Faktor 500 bei Dünnschicht Technologie KSD Mit t/a Feedstock in könnten 4000 GWp/a Si-Dünnschicht Solarzellen 3 produziert werden Vermeidung von energieintensiven Schritten wie Reinigung und Sägen Si Menge für 1m 2 Zellen 2 Quelle: EPIA. World target 11,3GWp in 9g/Wp 3 Si-Verbrauch f. 1µm: 2,3g/m 2 entspricht 0,023 10% 17

18 Kostenreduktion in der Photovoltaik Höhere Wirkungsgrade Weniger Materialverbrauch Preiswertere Materialien Optimierte Produktionstechnologien Neue Konzepte der photovoltaischen Energiekonversion 18

19 Silizium Material für die Photovoltaik Physicochemical Purification Process Quarzite Coke MG-Si Chemical Reaction HCI SiCl 4 SiHCl 3 SiH 2 Cl 2 Purification Conversion SiHCl 3 SiH 4 Thermal Decomposition CVD Solar Grade Silicon Mod. EG- Silicon PV Silicon AG,

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21 Kostenreduktion in der Photovoltaik Höhere Wirkungsgrade Weniger Materialverbrauch Preiswertere Materialien Optimierte Produktionstechnologien Neue Konzepte der photovoltaischen Energiekonversion 21

22 Ultrathin Crystalline Silicon Wafer Solar Cells The Laser-fired Back Contact LFC How to obtain an ideal back contact in 3 simple low temperature steps: 1. Passivation (SiO 2,SiN:H) 2. Metallisation (Al) 3. Laser firing of point contacts 1 mm 1 mm Patent pending Dr. Meyer-Struckmann Science Award 2003 of the Brandenburg Technical University (BTU) Cottbus 22

23 Kostenreduktion in der Photovoltaik Höhere Wirkungsgrade Weniger Materialverbrauch Preiswertere Materialien Optimierte Produktionstechnologien Neue Konzepte der photovoltaischen Energiekonversion 23

24 Maximaler Wirkungsgrad von Halbleiter-Solarzellen mit einem pn-übergang W. Shockley, H.-J. Queisser (1961) Theoretische Grenze 33% J. Zhao, A. Wang, M.A. Green (1999) Bester Laborwert 24,7% 2 Leistungsdichte [W/m µm] Nicht genutzte Energie der kurzwelligeren Photonen Genutzte Energie Längerwellige Photonen können keine Ladungsträger generieren Wellenlänge [nm] 24

25 Gestapelte Solarzellen Leistungsdichte [W/m 2 µm] Wellenlänge [nm] AM15 GaInP GaInAs Ge 25

26 Gestapelte PV Zellen für optische Konzentration, Beispiel front contact Ga 0.65 In 0.35 P tunnel diode Ga 0.83 In 0.17 As tunnel diode Ge ARC n + -AlInP - window layer n-gainp - emitter GaInP - undoped layer p-gainp - base p + -GaInP - barrier layer p + -AlGaInP - barrier layer p ++ -AlGaAs n ++ -GaAs or GaInP n + -AlGaInP/AlInAs - barrier layer n-gainas - emitter GaInAs - undoped layer p-gainas - base p + -GaInAs - barrier layer p + -AlGaInAs - barrier layer p ++ -AlGaAs n ++ -GaInAs n-graded Ga 1-x In x As buffer layer p-ge substrate (100) cap layer 1.8 ev 1.3 ev n- doped window- and nucleation layer n-ge diffused emitter 0.7 ev rear contact 26

27 Weitere Wege zu hohen Effizienzen??? thin film X = concentrator PV X mc-si Ways to reduce losses / improve efficiency: multi-junction solar cells hot carrier effects impurity band solar cells up and down conversion thermophotovoltaics thermophotonics spectral splitting Ways to reduce cost: III-V cells on silicon wafer bonding and lift-off approaches Ursprüngliche Grafik von M. Green, UNSW 27

28 Kostensenkungspotenziale nach Lernkurventheorie Anteil am heutigen Stromverbrauch Prof. Dr. J. Schmid ISET/ WBGU 28

29 Daten zur Ökonomie der Photovoltaiken 1980 Today Long term potential Typical turn-key system price Typical (2006 /Wp, electricity excl. VAT) generation costs Southern Europe (2006 /kwh) >30 > (competitive with retail electricity) (competitive with wholesale electricity) Typical commercial module efficiencies (total area) up to 8% up to 16% up to 20% up to 25% up to 40% Typical system energy payback time Southern Europe (yrs) >

30 Szenario: Entwicklung Erneuerbare Energien Prof. Dr. J. Schmid WBGU 30