Solarzellen- und Solarmodulherstellung: Überblick über den Stand der Technik und aktuelle Entwicklungen

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1 SOLTEC, Hameln, 14. September 2006 Solarzellen- und Solarmodulherstellung: Überblick über den Stand der Technik und aktuelle Entwicklungen Rüdiger Meyer Institut für Solarenergieforschung GmbH Hameln / Emmerthal Gliederung Aufbau und Funktion einer Photovoltaikanlage Stand der Technik heutiger Solarzellentechnologie Neue Solarzellenkonzepte für die zukünftige Fertigung Solarzellen der 3. Generation

2 Aufbau und Funktion einer Photovoltaikanlage Netzgekoppelte Solaranlage öffentl. Netz ~ kwh = kwh Hausnetz Wechselrichter Einspeisezähler Verbrauchszähler

3 Aufbau eines Solarmoduls I Glas transp. Einbettungsmasse Kunststoff o. ä. komplettes Modul, z. B. 72 Zellen mit je 0,5 V / 3,5 A, also 126 W Aufbau eines Solarmoduls II Einzelzellen String Zellverbinder 0,5 V (3,5 A) + 0,5 V + 0,5 V = 1,5 V (3,5 A) (3,5 A) (3,5 A)

4 Aufbau einer typischen Siliciumsolarzelle Vorderseitenkontakt (-) Antireflexions- und Passivierschicht el. Feld Halbleiter gepaarte Ladungen Spannung 0,0 V Rückseitenkontakt (+) Funktion der Solarzelle Licht Lichtenergie spaltet Ladungsträgerpaare Durch E-Feld Trennung der Ladungen Aufbau einer el. Spannung Spannung 0,6 V Entnahme von el. Energie möglich

5 Stand der Technik heutiger Solarzellentechnologie Unterschiedliche Solarzellentechnologien Wafersolarzellen Dünnschichtsolarzellen amorphe Siliciumsolarzellen kristalline Siliciumsolarzellen organische Solarzellen GaAs-Solarzellen CdTe-Solarzellen Farbstoffsolarzellen CIS / CIGS-Solarzellen

6 Prinzip der Dünnschichtsolarzelle Glas transp. leitfähige Schicht aktives Schichtsystem Isolator Metall Typische Wirkungsgrade heutiger Solarzellentypen Tabelle: P. Hummel, Branchenanalyse Photovoltaik 2005, (Landesbank Baden-Württemberg, 2005), S. 15

7 Marktanteile der Solarzellentechnologien Abbildung: P. Hummel, Branchenanalyse Photovoltaik 2005, (Landesbank Baden-Württemberg, 2005), S. 15 Zukünftige Herausforderungen Euro / Watt vereinfachte Massenfertigung höhere Wirkungsgrade geringerer Materialverbrauch heute Zeit

8 Neue Solarzellenkonzepte für die zukünftige Fertigung Warum Wirkungsgradsteigerung? 14% 7% 9% Kostenanteile: Silizium Ingots/Wafer Solarzellen 17% 18% Solarmodul Zubehör (z.b. Inverter) Handel Installation Steuern 13% 9% 13% Quelle: Landesbank Baden-Württemberg, Branchenanalyse Photovoltaik 2005

9 Die RISE*-Solarzelle des ISFH * RISE Rear Interdigitated Single Evaporation Vollständig rückseitig kontaktiert Keine Maskierungsschritte Lasermaterialbearbeitung Nur eine Vakuum-Aufdampfung Selbstjustierende Trennung der beiden Kontakte Sanfte Prozesstechnologie Berührungslose Lasermaterialbearbeitung Vakuumaufdampfung statt Siebdruck zur Kontaktherstellung

10 Die RISE-Zelle Ergebnisse 20,6 % auf 10x10 cm 2 FZ Si (92 cm² Aperturfläche) 18,7 % auf 2x2 cm 2 Cz-Si (Bor dotiert) nach Lichtdegradation 22 % auf 2x2 cm² FZ Si (ohne EWT, Bor LBSF statt LFC)* 19,6 % auf 10x10 cm² n-typ FZ Si (Phosphor dotiert) * unabh. bestätigt von FhG ISE Warum Dünnschichtsolarzellen? 14% 7% 9% Kostenanteile: Silizium Ingots/Wafer Solarzellen 17% 18% Solarmodul Zubehör (z.b. Inverter) Handel Installation Steuern 13% 9% 13% Quelle: Landesbank Baden-Württemberg, Branchenanalyse Photovoltaik 2005

11 Silicium-Dünnschichtsolarzellen: Der PSI-Prozess des ISFH Si-cell porous Si Si-substrate glass carrier Si-cell porous Si Si-substrate glass carrier Si-cell porous Si Si-substrate 9-fach demonstriert Si-substrate R. Brendel, 14 th EU-PVSEC, Barcelona 1997, p.1354 Großflächige kristalline Siliciumdünnschichtsolarzelle 20 µm Trennschicht Solarzelle Zellfläche : 10 x 10 cm2 Zelldicke: 25 µm V OC = 608 mv J SC = 30,3 ma/cm2 FF = 63,6 % η = 14,1 % R. Brendel, Solar Energy (2004)

12 Ablösen des epitaktisch gewachsenen Siliciumfilms 15 µm 20 µm Solarzelle Trennschicht Hebel ansetzen zwischen Glasscheibe und Si-Substrat Industrielle Realisierung z. B. Vakuumchuck 20 µm Substrat R. Brendel, Solar Energy (2004) Solarzellen der 3. Generation

13 Perspektiven und Limits Sonne T = ca C ( = ca K) Wärmestrahlung Erde (Licht) T = ca. 25 C frei nutzbare Energie (z.b. elektrischer Strom) Theoretische thermodynamische Grenze / Carnot-Wirkungsgrad : Max. Effizienz = 1 T Erde = ca. 99 % (!) T Sonne Perspektiven und Limits II PV Effizienz 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % thermodynamisches Limit Sonnenlicht ohne optische Konzentration theoretisches Limit der PV konzentriertes Sonnenlicht (Linsen, Spiegel, etc.) ISFH heute ISFH mittel-/langfristig Limit einfacher Solarzellen beste heutige Solarzellen

14 Danksagung Wir danken dem Land Niedersachsen für die institutionelle und die Projektförderung des ISFH dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) für die Projektförderung des ISFH Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit!