Photovoltaik: Strom aus der Sonne. Dr. Dietmar Borchert Fraunhofer ISE Labor- und Servicecenter Gelsenkirchen

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1 Photovoltaik: Strom aus der Sonne Dr. Dietmar Borchert Fraunhofer ISE Labor- und Servicecenter Gelsenkirchen

2 Gründe für die Notwendigkeit der Transformation der globalen Energiesysteme Schutz der natürlichen Lebensgrundlagen der Menschheit Begrenzte Verfügbarkeit der nicht erneuerbaren Energieträger einige Energieträger wie zum Beispiel das Öl sind wichtige Rohstoffe Bereitstellung von Energie, dort wo sie gebraucht wird Seite 2

3 CO 2 -Emissionen pro Einwohner und Jahr t CO 2 /a 5 0 Seite 3

4 Warum Solarenergie? Die von der Menschheit jährlich verbrauchte Energiemenge wird von der Sonne jede Stunde geliefert! Die jährliche Sonneneinstrahlung auf die Erde entspricht TW zum Vergleich: erwarteter Jahresverbrauch in 2020: 20 TW Seite 4

5 Flächenbedarf für solare Elektrizität Seite 5

6 Anforderungen an solare Materialien hohe Absorption über breiten Spektralbereich geringe innere Verluste hohe Reinheit besonders für hocheffiziente Zellen Langzeitstabilität, mindestens 20 Jahre keine toxikologisch bedenklichen Elemente hohe Materialverfügbarkeit geringer Energieaufwand bei der Herstellung Seite 6

7 Materialien für die Solarzellenproduktion Seite 7

8 Silizium für die Solarzellenproduktion 95 % Wafer basierte Technologie 5 % Dünnschichttechnologie 3% a-si Technologie Seite 8

9 Wafertechnologie: Industriezelle 200 µm dick Seite 9

10 Warum kommt eigentlich Strom aus der Solarzelle? n RLZ n = Konzentration der Elektronen p = Konzentration der Löcher n-seite p-seite p U U N N n i D T D D NDN A = UT ln 2 ni kt = thermische Spannung = 26 mv bei 300K q = Konzentration der Donatoratome auf der n-seite = Konzentration der Akzeptoratome auf der p-seite = intrinsische Ladungsträgerdi chte von Si Seite 10

11 Warum kommt eigentlich Strom aus der Solarzelle? durch Lichtabsorption entstehen im Wafer freie Ladungsträger Elektron-Loch-Paar Generation Trennung der Ladungsträger in der RLZ RLZ ist sehr schmal! was passiert im Rest des Wafers? Diffusion der Ladungsträger zur RLZ ist notwendig Materialqualität wird wichtig Seite 11

12 Aktueller Industrieprozess Sägeschaden ätzen oder Textur plus Reinigung Diffusion des pn-überganges Abätzen des Phosphorglases Reinigung Aufbringen der Antireflexschicht (Siliziumnitrid SiN) Siebdruck der Metallkontakte vorne und hinten Feuern der Metallkontakte im Durchlaufofen Kantenisolation Seite 12

13 Umsetzung des Industrieprozesses: Batch-Linien Batch Bewährtes Konzept aus der HL-Industrie wenig Kontaminationen kompliziertes Handling Seite 13

14 Umsetzung des Industrieprozesses: Inline-Linien Inline liegender Transport der Wafer wenig Personal notwendig einfaches Handling Probleme beim Stillstand eines Gerätes Kontaminationen möglich Seite 14

15 Solarzellenfabriken kann man kaufen! fertige Prozesse erhältlich Wirkungsgradgarantie Ausbeutegarantie Seite 15

16 Was ist eigentlich ein gutes Material? Wafer vom Rand eines Blockes: rot = gute, blau = schlechte Qualität Seite 16

17 Qualität im Block Lebensdauermessung(?) an einer Blockseite Seite 17

18 Qualität im Block: Wirkungsgradverteilung in einer Säule 1,0 Verunreinigungen im Boden und in der Kappe reduzieren den erreichbaren Wirkungsgrad mehr Verunreinigungen in der Kappe durch den Kristallisationsprozess Wirkungsgrad normiert 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 12% Anzahl % Wirkungsgrad in % 11% 0, Wafernummer Seite 18

19 Der Prozess manipuliert das Material: Diffusion Lebensdauermessungen nach Diffusion Diffusionstemperatur hat entscheidenden Einfluss auf die Materialqualität Verunreinigungen wandern in die stark dotierte n-schicht As-grown 875 C 900 C 950 C Seite 19

20 Der Prozess manipuliert das Material: SiN-Deposition + Feuern Ausgangsmaterial nach der Diffusion nach SiN und feuern IQE 66 % 81 % 96 % der Schlüssel für die heutigen hohen Wirkungsgrade ist das SiN, das als Antireflexschicht benutzt wird Seite 20

21 Wann wird PV denn endlich billiger? Quelle: PSE GmbH Seite 21

22 Wo stecken denn die Kosten? Seite 22

23 Möglichkeiten der Reduktion der Herstellungskosten weniger Materialverbrauch (dünne Wafer) preiswertere Materialien (Solarsilizium) neue Zell-Konzepte bzw. höhere Wirkungsgrade Dünnschichttechnologie Seite 23

24 Merkmale der Dünnschichttechnologie geringer Materialeinsatz integrierte Serienverschaltung geringe Energierücklaufzeiten geringere Temperaturabhängigkeit des Wirkungsgrades höhere Energieausbeute aber: Materialverfügbarkeit ist kritisch aber: zum Teil deutlich geringe Wirkungsgrade Seite 24

25 Serienverschaltung bei Dünnschichtzellen Licht P1, P2, P3: Laserschnitte für Serienverschaltung gleich hohe Modulspannung, kein verlöten o. ä. Seite 25

26 Module aus amorphem Silizium TCO = transparent conductive oxide üblich: ZnO und SnO eingebautes elektrisches Feld sorgt für die Ladungstrennung (Drift) gesamte Absorption erfolgt in der i-schicht Dicke der p-schicht: nm Dicke der i-schicht: µm Dicke der n-schicht: nm Empfindlichkeit: nm Licht Glas TCO p-schicht i-schicht n-schicht TCO RS-Kontakt Seite 26

27 Semi-transparente Module aus amorphem Silizium Quelle: Schott Solar Seite 27

28 Probleme des amorphen Siliziums: Staebler-Wronski-Effekt Entdeckung 1977 Wirkungsgrad nimmt ab unter Beleuchtung stabilisierter Wirkungsgrad wichtig reversibler Prozess: Ausheilung bei 150 C Effekt nach wie vor unverstanden Dicke der i-schicht ist wichtig Lösungen: Tandem- und Triple-Zellen neuster Ansatz: mikromorph Konzept Seite 28

29 Micromorph Konzept: a-si/µc-si Stapelzellen Quelle: Applied Materials Seite 29

30 Micromorph Konzept: a-si/µc-si Stapelzellen amorphe pin-zelle absorbiert im Blauen mikrokristalline Zelle absorbiert im Roten mikrokristallines Si ist indirekter Halbleiter geringe Absorption in der unteren Zelle untere Zelle muss deutlich dicker sein Vorteil: geringere Degradation Nachteil: höhere Abscheidezeit wegen Dicke sehr geringe Rate beim mikrokristallinem Si Produktionswirkungsgrade von 10% sind möglich Seite 30

31 a-si/µc-si Stapelzellen: Spektrale Empfindlichkeit EQE a-si µc-si Wellenlänge in nm Seite 31

32 Energierücklaufzeiten S-Eur = Southern Europe C-Eur = Central Europe Seite 32

33 Säulen der zukünftigen Energieversorgung Seite 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 34