Seltene Metalle in der Photovoltaik

Transkript

1 Willkommen Welcome Bienvenue Seltene Metalle in der Photovoltaik Dr. Stephan Buecheler Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik, Empa

2 PV-Technologien Überblick 1. Generation: Wafer basiert 2. Generation: Dünnschicht auf Glas 3. Generation: Dünnschicht auf Folie Nächste Generation: Organisch / DSC Neue Konzepte Absorberdicke: ~200 µm Absorberdicke: <3 µm Absorberdicke: <3 µm Absorberdicke: <3 µm Limitierte Wafergrösse Starr und schwer Komplexe Modulverschaltung Ausgereifte Technologie (80% Marktanteil) Ag Grossflächige Herstellung Starr und schwer Monolithische Verschaltung Junge, wachsende Technologie (20% Marktanteil) Ag, Ga, Ge, In, Se, Te Grossflächige und R2R Herstellung Flexibel und leicht Monolithische Verschaltung Aufkommende Technologie Ermöglicht: mobile Anwendung, BIPV, günstigere Montage Ag, Ga, Ge, In, Se, Te Grossflächige und R2R Herstellung Starr oder flexibel Monolithische Verschaltung Technologie noch in F&E Stadium Ermöglicht: mobile Anwendung, BIPV, günstigere Montage Ag, Ru, Geringes Potential zur Kostensenkung Mittleres Potential zur Kostensenkung Hohes Potential zur Kostensenkung Hohes Potential zur Kostensenkung Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 2

3 Photovoltaik Definitionen Sonneneinstrahlung (AM 1.5G): 1000 W/m 2, 25 C Module mit 15% Wirkungsgrad liefert 150 W/m 2 Leistung: Wp or kwp or MWp Kosten: /Wp, CHF/Wp, Wp ist die "Peak"-Leistung bei Standard Test Bedingung n p E Energie: kwh Strompreis: /kwh Häng von lokalen Bedingungen ab! Solarzelle (Si wafer) ~0.6 volt Solarmodul (Reihenschaltung von Zellen) Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 3

4 Installierte Leistung - Global Zubau 2010: ~17 GWp Bis Ende 2010 etwa 40 GWp installierte PV- Leistung Quelle: EPIA Global Market Outlook for Photovoltaics until 2015, May 2011 China APEC Rest der Welt Nord Amerika Japan EU* 893 MW 1'191 MW 1'844 MW 2'727 MW 3'622 MW 29'252 MW *davon Deutschland: 17'193 MW Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 4

5 Marktanteile [%] Photovoltaik Technologien Marktanteile Evolution und Trends der Marktanteile der einzelnen PV-Technologien Es wird erwartet, dass die Dünnschichttechnologien CIGS und CdTe sehr stark zulegen werden Quelle: Solar Generation 6, EPIA, 2011 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 5

6 Dünnschicht-Photovoltaik an der Empa Brücke zwischen Forschung und Praxis ETA Organisch Grätzel Neue CdTe CIGS Konzepte Werkstoff und Nanomechanik Abteilung Funktionspolymere Abteilung Dünnfilme und Photovoltaik Anwendungsorientierte Materialforschung effizienter Technologietransfer Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 6

7 CdTe Technologie heute CdTe heute Schichtdicke 3 µm Wirkungsgrad 11% Tellur im CdTe Ausbeute Beschichtung Tellur Bedarf 10 g/m g/wp 50% 180 t/gwp Gesamtproduktion Te 2008: ~480 Tonnen* * V. Fthenakis, Renewable and Sust. Energy Rev., 13, , 2009 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 7

8 CdTe Technologie Entwicklung CdTe heute Entwicklungsziele Schichtdicke 3 µm 3 µm 1 µm 1 µm Wirkungsgrad 11% 15% 15% 15% Tellur im CdTe Ausbeute Beschichtung 10 g/m 2 10 g/m g/m g/m g/wp g/wp g/wp g/wp 50% 50% 50% 80% Tellur Bedarf 180 t/gwp 141 t/gwp 47 t/gwp 29 t/gwp Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 8

9 CdTe Solarzellen und Module an der Empa CdTe Solarmodule und Zellen auf verschiedenen Substraten 15.6% CdTe Solarzelle auf Glas Herstellung 13.8% CdTe Solarzelle auf PI und 8.7% auf Stahl Beschichtung im Vakuum z.b R2R-Verfahren 9.4% CdTe Solarmodul auf PI Unser Ziel: Optimale Rohstoffausnutzung, tiefere Prozesstemperaturen, schnellere Prozesse, höhere Wirkungsgrade (push the limits) Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 9

10 CIGS Technologie Querschnitt einer CIGS Solarzelle Gallium Kupfer Selen Indium Cu In Ga Se [wt.%] Cu(In,Ga)Se 2 CIGS A. Chirila et al. Nature Materials, 10, , 2011 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 10

11 CIGS Technologie heute Querschnitt einer CIGS Solarzelle CIGS heute Schichtdicke 2 µm Wirkungsgrad 11% Indium im CIGS Ausbeute Beschichtung Indium Bedarf 3.6 g/m g/wp 34% 98 t/gwp Gesamtproduktion In 2008: ~545 Tonnen* A. Chirila et al. Nature Materials, 10, , 2011 * V. Fthenakis, Renewable and Sust. Energy Rev., 13, , 2009 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 11

12 CIGS Technologie Entwicklung CIGS heute Entwicklungsziele Schichtdicke 2 µm 2 µm 1 µm 1 µm Wirkungsgrad 11% 16% 16% 16% Indium im CIGS Ausbeute Beschichtung 3.6 g/m g/m g/m g/m g/wp g/wp g/wp g/wp 34% 34% 34% 50% Indium Bedarf 98 t/gwp 67 t/gwp 34 t/gwp 23 t/gwp A. Chirila et al. Nature Materials, 10, , 2011 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 12

13 CIGS Solarzellen und Module an der Empa Querschnitt einer CIGS Solarzelle Flexible Solarzellen mit Weltrekord-Wirkungsgrad 18.7% CIGS Solarzelle auf PI Herstellung 17.7% CIGS Solarzelle auf Stahl Beschichtung im Vakuum z.b R2R-Verfahren 14.8% CIGS Solarmodul auf PI Unser Ziel: Optimale Rohstoffausnutzung, tiefere Prozesstemperaturen, schnellere Prozesse, höhere Wirkungsgrade (push the limits) A. Chirila et al. Nature Materials, 10, , 2011 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 13

14 Neue Materialien für Dünnschicht-Solarzellen Kesterite Herstellung z.b. Drucken Cu 2 ZnSn(S,Se) 4 Bereits vielversprechenden Wirkungsgrad von 4% erreicht Unser Ziel: Kostengünstige Solarzellen aus "endlos" verfügbaren Rohstoffen. S. Chen et al., Phys Rev B, 79, , 2009 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 14

15 Recycling von PV Modulen Stand Ende 2011: 229 Mitglieder Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 15

16 Mögl. Produktion von CIGS & CdTe Solarmodulen nach Vasilis Fthenakis, 2009 Produktion [GWp/Jahr] heute CdTe ~ CIGS < PV Gesamtinstallation 2010: 17GWp, kumulierte PV Leistung Ende 2010: ~40 GWp Konservative und optimistische Szenarien driften sehr weit auseinander Kumulierte installierte Leistung von CIGS & CdTe kann selbst im konservativen Fall etwa 790 GWp (2050) erreichen*. Dies entspricht einer elektrischen Energie von ~ TWh/a** (Jahresverbrauch Schweiz ~65 TWh/a) * Angenommene Lebensdauer von 25 Jahren; ** Hängt vom Installationsort ab V. Fthenakis, Renewable and Sust. Energy Rev., 13, , 2009 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 16

17 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit