JAHRESBERICHT ANNUAL REPORT

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1 JAHRESBERICHT ANNUAL REPORT An-Institut der Institut für Solarenergieforschung Hameln

2 Hinweise zu den Umschlagbildern/About the cover images: A: Blick über das Hauptgebäude des ISFH (in der Mitte) und das SolarTeC (rechts unten) in das Weserbergland. View over the main building of the ISFH (middle) and over the SolarTeC (right) into the Weser Hills. B: Laboranlage zum thermischen Vorspannen von Gläsern für Dicken bis hinunter auf 2 mm. Laboratory equipment for thermal toughening of glass down to 2 mm thickness. C: Messplatz zur Bestimmung der Strom-Spannungs-Kennlinie von großflächigen (industrietypischen) Solarzellen unter Standardtestbedingungen gemäß IEC Measurement setup to determine the current-voltage-characteristic of large area (industrial) solar cells under standard test conditions in accordance with the IEC D: Messplatz zur Bestimmung der differentiellen spektralen Bestrahlungsstärkeempfindlichkeit von großflächigen (industrietypischen) Siliziumsolarzellen. Measurement setup to determine the differential spectral response of large area (industrial) solar cells. E: Der niedersächsische Umweltminister Stefan Wenzel eröffnet die Umwelttage in Hameln. Lower Saxon Environment Minister Stefan Wenzel opening the Environmental Days in Hamelin. A B C D E

3 JAHRESBERICHT 2015 ANNUAL REPORT Messplatz zur Bestimmung der differentiellen spektralen Bestrahlungsstärkeempfindlichkeit von großflächigen Siliziumsolarzellen. Setup to measure the differential spectral irradiance sensitivity of large-area silicon solar cells. Associated with Institut für Solarenergieforschung Hameln

4 Streiflichter At a glance ISFH-Jahresbericht 2015

5 Streiflichter At a glance Abbildung/Figure 2: Der Stand des ISFH auf der Hannover-Messe 2015; links im Bild das Exponat zum Thema Thermochrome Schichten. The ISFH stand at the Hanover Fair 2015; on the left in the picture is the exhibit on the subject of Thermochrome Layers. Abbildung/Figure 3: Betriebsausflug 2015 Diesmal besuchten die Kollegen den Tierpark in Springe, wo u. a. eine Flugshow mit einheimischen Vögeln geboten wurde. ISFH annual outing 2015 this time the staff visited the animal park in Springe where, inter alia, there was an airshow with native birds. Abbildung/Figure 4: Teilnehmer des bundesweit stattfindenden Green Day besuchten am 12. November 2015 das ISFH. Hier gibt Ihnen ein Mitarbeiter eine Einführung in die Elektronenmikroskopie. Participants in the nationwide Green Day visited the ISFH on 12 November Here a member of staff is giving them an introduction into electron microscopy. Abbildung/Figure 5: Messtisch für Silizium-Solarzellen. Measuring table for silicon solar cells. Abbildung/Figure 6: Mitgliedertreffen des Leibniz Forschungszentrums Energie 2050 (LiFE 2050) der Leibniz Universität Hannover. Hier versammeln sich die Teilnehmer während einer Sitzungspause zum Gruppenfoto. Members meeting of the Leibniz Energie 2050 (LiFE 2050) Research Center of the Leibniz Universität, Hanover. Here the participants are gathering for a group photo during a break in the meeting. Abbildung/Figure 7: Der Stand des ISFH auf der Fachmesse Intersolar in München. The ISFH stand at the specialized fair Intersolar in Munich. ISFH Annual Report

6 Inhalt Contents Streiflichter At a glance... 2 Inhalt Contents... 4 Vorwort Preface Institut für Solarenergieforschung... 8 Kurzportrait Brief portrait... 8 Organisation Organization Abteilung Photovoltaik Photovoltaics department Abteilung Solare Systeme Solar systems department Calibration & Test Center (CalTeC) Calibration & test center (CalTeC) Zentrale Dienste Central services Aufsichtsrat Supervisory Board Wissenschaftlicher Beirat Scientific Advisory Board Gesellschaft zur Förderung des Instituts für Solarenergieforschung e.v. (Förderverein) Society for the Promotion of the Institut für Solarenergieforschung (Friends of the ISFH) Das Institut in Zahlen Statistics of the Institute Energiemanagement am ISFH Energy management at ISFH Forschungsabteilungen Research departments Abteilung Photovoltaik Photovoltaics department Forschungsthemen Research topics Dienstleistungen Services Apparative Ausstattung Equipment & facilities Glanzlichter Highlights Abteilung Solare Systeme Solar systems department Forschungsthemen Research topics Dienstleistungen Services Apparative Ausstattung Equipment & facilities Glanzlichter Highlights Wissenschaftliche Ergebnisse Scientific results Abteilung Photovoltaik Photovoltaic department Lichtinduzierte Degradation und Regeneration der Ladungsträger-Lebensdauer in multikristallinem Silizium Light-induced degradation and regeneration of the carrier lifetime in multicrystalline silicon Industrienahe ionenimplantierte und siebdruckmetallisierte bifaciale n-typ PERT Solarzellen mit Effizienzen von 21 % und Bifacialfaktoren größer 97 % Industry-oriented Ion implanted and screen-printed metallized bifacial n-type PERT solar cells with efficiencies of 21 % and bifacial factors exceeding 97 % Entwicklung von Hocheffizienzmodulen und Analyse der optischen und elektrischen Verluste Development of high-efficiency solar modules and analysis of optical and electrical losses Risse in der Solarzellenmetallisierung und deren Auswirkung auf die Modulleistung Cracks in the solar cell metalization and their impact on the module power 4 ISFH-Jahresbericht 2015

7 Inhalt Contents Abteilung Solare Systeme Solar systems department Überhitzungsschutz für Solarkollektoren Overheating protection for solar collectors Das Gebäude als solarer Wärmespeicher The building as a solar heat storage Projekt HEISTA Entwicklung von Prüfverfahren für Frischwasser- und Wohnungsstationen HEISTA Project Development of test procedures for domestic hot-water modules and dwelling stations 4 Weiterbildung Education Akademische Ausbildung Academic education NILS Die Lernwerkstatt am ISFH NILS The learning workshop of the ISFH Kooperationen Cooperations Partner aus Universitäten & Forschungseinrichtungen Partners from universities & research facilities Inland National Ausland International Partner aus Industrie, Planung & Entwicklung Partners from industry, planning & development Inland National Ausland International Institutsmitgliedschaften Institute memberships Dokumentation Documentation Institutskolloquien Institute colloquia Gastwissenschaftler Guest scientists Mitarbeit in Fachgremien Membership in professional bodies Ausstellungen & Fachtagungen Fairs & congresses Veröffentlichungen in referierten Zeitschriften Peer-reviewed publications Andere Veröffentlichungen Other publications Vorträge Presentations Poster Posters Studien- & Bachelorarbeiten Seminar & bachelor papers Diplom- & Masterarbeiten Diploma theses & masters Doktorarbeiten Ph.D.-theses Berufungen Appointments Lehrveranstaltungen Lectures Preise & Auszeichnungen Awards Presse Press Autoren Authors Impressum Impress Streiflichter At a glance Notizen Notes ISFH Annual Report

8 Vorwort Preface Das ISFH hat ein Ziel: Durch Forschung dazu beizutragen, die Kosten für die Solarenergienutzung, einem wichtigen Teil unserer Energiewende, klein zu halten. Auf diesem Weg sind wir auch im letzten Jahr wieder ein Stück vorangekommen. Nach einem Rekord für siebgedruckte PERC- Solarzellen können wir nun auch über einen Wirkungsgradrekord für PV-Module mit PERC- Zellen berichten (s. S. 39 ff.). Wir erzielten im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projektes einen Wirkungsgrad von 20,2 % für ein 1,5 m 2 großes Modul. Der Rekord wurde nur erreicht, weil das Design der Solarzellen und das des Moduls fein aufeinander abgestimmt wurden. Die Zellen alleine hätten keinen Rekordwirkungsgrad gehabt. Damit ist das Rekordmodul ein Gleichnis für die Energiewende insgesamt: Auf die kluge Integration kostengünstiger Einzelteile in ein effizientes System kommt es an! Prof. Dr.-Ing. Rolf Brendel, Wissenschaftlicher Leiter und Geschäftsführer der Institut für Solarenergieforschung GmbH in Hameln. Prof. Dr.-Ing. Rolf Brendel, Scientific head and Director of the Institute for Solar Energy Research in Hamelin. The ISFH has a goal: to contribute through research to keeping down the costs of using solar energy, an important part of energy change. In the last year we have once again made progress along this path. After achieving a record for screen-printed PERC solar cells, we can now also report an efficiency record for PV modules with PERC cells (see p. 39 pp.). We achieved an efficiency level of 20.2 % for a 1.5 m 2 module as part of a project funded by the Federal Ministry for the Economy and Energy (BMWi). The record was only achieved because the design of the solar cells and that of the module were finely tuned to each other. The cells alone would not have had a record efficiency. In this way, the record module is a metaphor for energy change as a whole: an efficient system depends on the clever integration of inexpensive components! Das große Ganze in den Blick zu nehmen ist in einer auf Spezialisierung und auf Wettbewerb ausgerichteten Gesellschaft nicht leicht. Den einen konsensfähigen Masterplan für die Energiewende wird es nicht geben, weil es zu viele widerstreitende Interessen gibt. Welcher der vielen möglichen Wege hin zu einer immer stärker erneuerbaren Energieversorgung soll also beschritten werden? Um diesen Weg zu finden, müssen verschiedene Systeme mit starker regenerativer Komponente in einen Wettbewerb treten. Manche Systemkonfigurationen werden sich bewähren und werden andere Lösungen verdrängen. Damit dieser Wettbewerb stattfinden kann, müssen die erneuerbar dominierten Energiesysteme aber erst einmal erdacht, hergestellt, geprüft und in den Markt gebracht werden. Das ISFH will mit seiner Systemtechnikforschung und im Verbund mit seinen Forschungspartnern aus der Industrie solare Energiesysteme für diesen Wettbewerb ertüchtigen. Kostensenkungen brauchen einen Markt. Für die deutschen Firmen ist ein starker heimischer Markt von besonders großem Nutzen. Die Systemanforderungen werden sich mit zunehmender Marktdurchdringung der erneuerbaren Energien wandeln. Wegen der im internationalen Vergleich schon hohen Marktdurchdringung von Wind- und Solarenergie ist unser heimischer Solarmarkt für die Innovationskraft der Firmen also besonders wichtig. Vor diesem Hintergrund sind die derzeit zu niedrigen Raten der Neuinstallationen von Photovoltaik- und Solarthermieanlagen besorgniserregend und sicher ein Hindernis für das rasche Gelingen der Energiewende. Seeing the complete picture is not easy in a society geared to specialization and competition. There will not be one potentially consensual master plan for energy change because there are too many conflicting interests. Which of the many possible ways is therefore to be taken towards an ever greater use of renewable energy? In order to find this way, various systems with a strong renewable element must compete. Some system configurations will prove successful and will supersede other solutions. In order for this competition to be able to take place, however, predominantly renewable energy systems must first be thought out, produced, tested and brought onto the market. The ISFH wants to use its system technology research together with its research partners in the industry to prepare solar energy systems for this competition. Cost reductions need a market. For German firms a strong home market is particularly useful. System requirements will change with the increasing market penetration of renewable energy. Due to the already high market penetration of wind and solar energy by international standards, our home solar market is therefore particularly important for the innovational strength of the firms. With this background the currently too low rates of new installations of photovoltaic and solarthermal systems are worrying and must surely be a hindrance to the early achievement of energy change. 6 ISFH-Jahresbericht 2015

9 Vorwort Preface Die Vorteile der Solarenergienutzung sind überzeugend: Sonne ist überall verfügbar, Solarstrom ist mit 8 bis 12 ct/kwh für immer mehr Endverbraucher konkurrenzlos günstig und kann geräuschfrei und fast ohne Belastung des Landschaftsbildes genutzt werden. Solarenergie wird deshalb von der Bevölkerung besonders positiv bewertet. Als Forscher und Entwickler geben wir uns nicht mit dem Erreichten zufrieden. Ich bin daher schon jetzt sehr gespannt auf die Innovationen des kommenden Jahres und auf den Fortschritt unseres Gemeinschaftsprojektes Energiewende. Um mit Kurt Marti zu sprechen: Wo kämen wir hin, wenn alle sagten, wo kämen wir hin, und keiner ginge, um zu sehen, wohin wir kämen, wenn wir gingen. Ich danke allen, die sich mit auf den Weg gemacht haben, um zu sehen, wohin wir kommen, wenn wir gehen: Zu vorderst den ISFH-Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern für die stets engagierte Arbeit; unseren Auftraggebern und Forschungspartnern aus der Industrie für die wirklich sehr gute Zusammenarbeit, den Bundesministerien, hier insbesondere dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), für die steten Projektfinanzierungen sowie zahlreichen weiteren Forschungsförderern für deren finanzielle Unterstützung. Dem Land Niedersachsen danke ich für die institutionelle Förderung, die das Rückgrat unserer Arbeit ist. Unsere Systemtechnikforschung hat seit Anfang des Jahres eine wichtige Stärkung durch Prof. Oliver Kastner erhalten, der den Ruf auf eine W2-Professur in der Fakultät für Maschinenbau and der Leibniz Universität angenommen hat, die mit der Leitung unserer Abteilung Solare Systeme verbunden ist. Der bisherige Abteilungsleiter Dipl.-Ing. Gunter Rockendorf hat die Abteilungsleitung aus persönlichen Gründen aufgegeben. Ich danke ihm für die langjährige sehr erfolgreiche Arbeit als Abteilungsleiter und freue mich, dass er dem ISFH weiterhin erhalten bleibt. Prof. Robby Peibst, Leiter unserer Arbeitsgruppe Emergente Solarzellen Technologien wurde auf die Juniorprofessur Siliziumtechnologie für erneuerbare Energie an der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik der Leibniz Universität Hannover berufen. Beiden neuen Professoren einen herzlichen Glückwunsch! Ich freue mich über diese Festigung der guten Zusammenarbeit mit der Leibniz Universität. In diesem Jahresbericht finden Sie, liebe Leserin und lieber Leser, ausgewählte Forschungsergebnisse. Über Rückfragen und Anregungen freuen wir uns. Mit den besten Wünschen für ein sonniges neues Forschungsjahr 2016 The advantages of solar energy usage are convincing: the sun is available everywhere, solar electricity at 8 to 12 ct/kwh is incomparably cheap for more and more end-consumers and can be used noiselessly and almost without any visual impairment of the landscape. Solar energy is therefore be assessed particularly positively by the population. As researchers and developers we do not content ourselves with what we have achieved. I am therefore very excited about the innovations of the coming year and the progress of our joint Energy Change project. In the words of Kurt Marti: Where would we get to if everybody said, where would we get to, and nobody went to see where we would get to if we went. I thank all those who have set off to see where we get to when we go: First and foremost the ISFH staff for their invariably committed work; our clients and research partners from the industry for the really very good collaboration, the federal ministries, here in particular the Federal Ministry for the Economy and Energy (BMWi) for the constant financing of projects as well as numerous other research sponsors for their financial support. The State of Lower Saxony I thank for the institutional funding which is the backbone of our work. Our systems technology research has, since the beginning of the year, received an important boost through Prof. Oliver Kastner, who was appointed W2-Professor in the Engineering Faculty at the Leibniz Universität, which is linked with the leadership of our Solar Systems Department. The previous Head of Department, Dipl.-Ing. Gunter Rockendorf gave up this job for personal reasons. I thank him for his many successful years as Head of Department and am pleased that he is remaining at the ISFH. Prof. Robby Peibst, head of our Emergent Solar Cells Technologies working group, was appointed Junior Professor in Silicon Technology for Renewable Energy in the Electrical Engineering and Computer Science Faculty of the Leibniz Universität, Hanover. Congratulations to both new professors! I am very pleased at this strengthening of the good collaboration with the Leibniz Universität. In this Annual Report, dear readers, you will find selected research results. We look forward to receiving questions and suggestions. With best wishes for a sunny new research year of 2016 Prof. Dr.-Ing. Rolf Brendel, Wissenschaftlicher Leiter und Geschäftsführer/Scientific head and Director ISFH Annual Report

10 1Institut für Solarenergieforschung Kurzportrait Am Institut für Solarenergieforschung GmbH Hameln (ISFH) werden innovative Komponenten und Systeme für die photovoltaische und solarthermische Nutzung der Sonnenenergie entwickelt. Das physikalische Verständnis der einzelnen Komponente, die Entwicklung kostengünstiger Herstellungsprozesse und das Betriebsverhalten des Gesamtsystems stehen im Zentrum des Interesses. Am ISFH hergestellte Komponenten werden in Energiesystemen getestet, denn meist entscheidet erst das Verhalten im System über den Erfolg einer Entwicklung. Gemeinsam mit unseren Industriepartnern und unseren Studierenden, die am ISFH ihre Studien- und Abschlussarbeiten anfertigen, fördern wir die Nutzung von Solarenergie durch Forschung und Innovation. Das ISFH als außeruniversitäres Forschungsinstitut des Landes Niedersachsen hat die Rechtsform einer gemeinnützigen GmbH. Es ist ein An-Institut der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover und unterhält Kooperationen mit anderen Universitäten und Fachhochschulen Niedersachsens sowie anderer Bundesländer. Geschäftsführer des ISFH ist Prof. Dr.-Ing. habil. Rolf Brendel, der gleichzeitig auch Universitätsprofessor an der Fakultät für Mathematik und Physik der Leibniz Universität Hannover ist. Professor Brendel leitet am Institut für Festkörperphysik die Abteilung Solarenergie. Das ISFH besteht aus den Abteilungen Photovoltaik und Solare Systemtechnik sowie einem unabhängigen Testzentrum, dem 2015 neugegründeten ISFH Calibration & Test Center (CalTeC). In der Photovoltaikforschung gehören grundlegende Materialuntersuchungen ebenso zu den Aufgaben, wie die Entwicklung von Prozessen und Anlagen für die Herstellung von Solarzellen. Das Hauptinteresse gilt der Entwicklung neuer Siliziumsolarzellen mit zugehöriger Modultechnologie für Wirkungsgrade oberhalb von 20 %. Übergeordnetes Ziel ist das Senken der Produktionskosten von Solarmodulen. Die Abteilung Solare Systeme stellt die integrierte Gesamtenergieversorgung für Strom und Wärme von dezentralen Einheiten wie Gebäude und Siedlungen in den Mittelpunkt. Zielsetzung ist eine kostengünstige und CO 2 -arme Energieversorgung in qualitativ hochwertigen Systemen. Dazu werden am ISFH u. a. thermische Sonnenkollektoren, neuartige Beschichtungsverfahren, Speicherkonzepte sowie für Energiesysteme neue Anwendungen und Kombinationen entwickelt, bewertet und optimiert. Das Institut ist Mitglied im ForschungsVerbund Erneuerbare Energien (FVEE), einem Zusammenschluss außeruniversitärer deutscher Forschungsinstitute, der auf nationaler Ebene seine Forschungstätigkeiten im Bereich der regenerativen Energien koordiniert. Brief portrait Innovative components and systems for the photovoltaic and solar thermal utilization of solar energy are developed at the Institute for Solar Energy Research Hamelin (ISFH). The physical understanding of individual components, the development of cost-saving production processes and the operational behavior of the overall system are the focus of its interest. Components manufactured at the ISFH are tested in energy systems as usually their behavior within a system determines the success of the development. Together with our industrial partners and our students, working on their seminar papers, diplomas or Ph.D.-theses, we encourage solar energy utilization through research and innovation. The ISFH is a research institute of the state of Lower Saxony with the legal status of a non-profit-making organization. It is an affiliated institute of the Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover and also undertakes joint projects with other universities and technical colleges in Lower Saxony and other German states. The director of the ISFH is Prof. Dr.-Ing. habil. Rolf Brendel, who is also a university professor in the Faculty of Mathematics and Physics at the Leibniz Universität Hannover. Prof. Brendel also heads the Solar Energy Department at the Institute for Solid State Physics. The ISFH is made up of the Photovoltaics and Solar Systems Technology departments as well as an independent testing center, the ISFH Calibration & Test Center (CalTeC) which was newly founded in Photovoltaic research includes the basic study of material properties as well as the development of processes and equipment for manufacturing solar cells. The most important aim of photovoltaic research is the development of silicon solar cells with the accompanying module technology for efficiencies of above 20 %. Above all, the aim is to reduce production costs for solar modules. The main focus of the Solar Systems department is the integrated total energy supply for heat and electricity in local units like buildings and urban settlements. The objective is a cost-efficient and low-co 2 energy supply in high-quality systems. For this purpose, ISFH develops, evaluates and optimizes amongst other things new solar thermal collectors, functional coatings and heat storage concepts as well as new applications and combinations of energy systems. The Institute is a member of the Renewable Energy Research Association (FVEE), an association of German non-university research institutes coordinating regenerative energy research activities at a national level. 8 ISFH-Jahresbericht 2015

11 1 Institut für Solarenergieforschung Teil der Südfassade des Hauptgebäudes. Part of the south façade of the main building. ISFH Annual Report

12 1Institut für Solarenergieforschung Organisation Abteilung Photovoltaik Leitung: Dr. Karsten Bothe Dr. Thorsten Dullweber Prof. Dr. Jan Schmidt Wirkungsgrade von Solarzellen, die im Labor erreicht werden, sind gegenwärtig schon sehr beachtlich. Nach wie vor mangelt es an Technologien, mit denen höchsteffiziente Solarzellen industriell, d. h. kostengünstig und rasch hergestellt werden können. Die sechs Arbeitsgruppen der Abteilung Photovoltaik beschäftigen sich mit unterschiedlichen Aspekten der industriellen Umsetzung unserer Laborentwicklungen und in zunehmenden Maße mit Fragen nach künftigen Optionen für die Photovoltaik. Organization Photovoltaics department Heads: Dr. Karsten Bothe Dr. Thorsten Dullweber Prof. Dr. Jan Schmidt Solar cell efficiencies achieved in the laboratory are already remarkably high. There is still, however, a lack of industriallyapplicable technology to enable mass production of high-efficiency solar cells, i. e. which can be rapidly produced at a reasonable price. The six research groups in the Photovoltaics Department are occupied with different aspects of the industrial application of our laboratory developments and increasingly with issues of future options for photovoltaics. Photovoltaische Materialien Leitung: Prof. Dr. Jan Schmidt Ziel dieser Gruppe ist es, ein umfassendes Verständnis der Auswirkung von Defekten und Defektreaktionen in unterschiedlichen Siliziummaterialien auf Solarzelleneigenschaften zu entwickeln. Mit Hilfe eines gezielten Defect Engineering wird die Materialqualität der heute in der Photovoltaik eingesetzten mono- und multikristallinen Siliziumwafer verbessert. Weitere Schwerpunkte sind neue Ansätze zur Oberflächenpassivierung sowie neuartige Heteroübergänge für hocheffiziente Silizium-Solarzellen. Photovoltaic materials Head: Prof. Dr. Jan Schmidt The aim of this group is to gain a comprehensive understanding of the impact of defects and defect reactions in different silicon materials on solar cell characteristics. Defect engineering techniques are being developed to improve the material quality of today s photovoltaic mono- and multicrystalline silicon wafers significantly. Other foci are on the evaluation of new surface passivation techniques as well as on novel heterojunctions for the application to high-efficiency silicon solar cells. Solarzellen Charakterisierung & Simulation Leitung: Dr. Karsten Bothe Die Aufgabe der Arbeitsgruppe Solarzellencharakterisierung und Simulation ist es, neue Messverfahren zu entwickeln und Messsysteme aufzubauen, die notwendig sind, um in Kombination mit Bauelementesimulationen ein umfassendes Verständnis der am ISFH entwickelten Siliziumsolarzellen zu erlangen. Um auf aktuelle Veränderungen im Zelldesign zu reagieren, werden die bestehenden physikalischen Modelle für die numerische Simulation von Solarzellen und Modulen kontinuierlich angepasst und optimiert. Auf Basis elektrischer und optischer Bauteilesimulationen werden außerdem Verbesserungspotentiale aufgezeigt und Strategien für weitere Wirkungsgradsteigerungen festgelegt. Die Gruppe bietet der Photovoltaikindustrie ihre Analyseverfahren sowie ihr Simulations Knowhow als Serviceleistung an. Industrielle Solarzellen Leitung: Dr. Thorsten Dullweber Die Arbeitsgruppe Industrielle Solarzellen entwickelt Verbesserungen von Siliziumsolarzellen mit einem industrietypischen Herstellungsprozess hinsichtlich Wirkungsgradsteigerung und Kostenreduktion. Im Fokus der Aktivitäten stehen dabei industrielle, rückseitenpassivierte PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) Solarzellen sowie LID-freie Zell-Varianten wie z. B. n-pert BJ Solarzellen. Zudem ist die Optimierung der Siebdruckkontakte hinsichtlich Feinliniendruck und Reduzierung des Silberverbrauchs ein weiterer Schwerpunkt für die Kooperation mit Firmen aus der Photovoltaik Industrie. Solar cell characterization & simulation Head: Dr. Karsten Bothe The objective of the solar cell characterization and simulation group is the development of new measurement and evaluation techniques which are required to gain, supported by device simulations, a comprehensive knowledge about the solar cells developed at ISFH. In order to support the most recent solar cell designs, we continuously adapt and optimize our physical models used for the device simulation of solar cells and modules. Based on electrical and optical simulations we demonstrate potential optimization rules and define strategies for further energy conversion efficiency improvements. The team offers its facilities, experience and simulation know-how as a service to the photovoltaic industry. Industrial solar cells Head: Dr. Thorsten Dullweber The industrial solar cells research group develops improvements of industry-typical silicon solar cells with respect to increased conversion efficiencies and reduced production costs. In particular, rear-passivated industrial PERC (Passivated Emitter and Rear Cells) solar cells as well as LID-free n-pert BJ cells are a major focus of current research projects in collaboration with industry partners. In addition, advanced metallization techniques such as fine-line screen and stencil printing are being explored to reduce the consumption of expensive silver pastes. 10 ISFH-Jahresbericht 2015

13 1 Institut für Solarenergieforschung Probenvorbereitung am DSR (Differential Spectral Response)-Messplatz. Sample preparation at the DSR (Differential Spectral Response) set-up. ISFH Annual Report

14 1Institut für Solarenergieforschung Emergente Solarzellentechnologien Leitung: Prof. Dr. Robby Peibst Diese Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Verfahren zur Herstellung kostengünstiger hocheffizienter Silizium-Solarzellen. Einen Schwerpunkt stellen ladungsträgerselektive Kontakte auf Basis von polykristallinem Silizium dar, die eine deutliche Erhöhung der Leerlaufspannung, des Füllfaktors und damit des Wirkungsgrades ermöglichen. Anwendungspotenzial besteht dabei sowohl für beidseitig kontaktierte Zellen, als auch für rückseitenkontaktierte Zellen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Evaluation von Ionenimplantation zur Erzeugung lokaler Dotierungen für konventionelle und für ladungsträgerselektive Kontakte. Emerging solar cell technologies Head: Prof. Dr. Robby Peibst This group concentrates on the development of enabling techniques for production of high-efficient Si solar cells. One focus are carrier-selective junctions based on polycrystalline silicon, which enables a significant increase of the open circuit voltage, of the fill factor, and therefore of the energy conversion efficiency. These junctions have application potential for double-side contacted as well as for rear-side contacted cells. A further major research topic of the group is the evaluation of ion implantation for the formation of locally doped regions for conventional as well as for carrier-selective junctions. Zukunftstechnologien Photovoltaik Leitung: Dr. Sarah Kajari-Schröder Diese Arbeitsgruppe entwickelt Methoden und Technologien, die neue Optionen für die Photovoltaik erschließen sollen. Ein Schwerpunkt ist dabei die sägefreie Herstellung von monokristallinen Siliziumwafern. Dabei werden Technologien eingesetzt, mit denen äußerst material- und energiesparend monokristalline Siliziumschichten mit Standarddicken sowie mit Dicken weit unter 50 μm hergestellt werden können. Module Leitung: Dr. Marc Köntges Die Arbeitsgruppe Module entwickelt neue Verbindungstechniken für Photovoltaikmodule und optimiert das Lichtmanagement im Modul, um Moduleffizienzen zu steigern. Dazu gehört z. B. die Verwendung vieler dünner Stromableiter im Modul, um sowohl Widerstandsverluste zu minimieren als auch die Lichteinkopplung in Solarzellen zu optimieren. Die Gruppe entwickelt Methoden für das Auffinden von Schäden in Solarmodulen. Schwerpunkt sind dabei bildgebende Verfahren, wie z. B. die kamerabasierte Erfassung der UV-Fluoreszenz von Molekülen im Modullaminat. Daneben werden Auftragsarbeiten zur Fehleranalyse von Modulen mit beschleunigten Alterungstests und Standardprüfungen gemäß der Norm IEC durchgeführt. Future photovoltaic technologies Head: Dr. Sarah Kajari-Schröder This group develops methods and technologies enabling new options for photovoltaics. One focus of the group is kerfless manufacturing of monocrystalline silicon wafers. For this we apply technologies that enable the material- and energy-efficient production of monocrystalline silicon wafers with standard thicknesses as well as thicknesses well below 50 μm. Modules Head: Dr. Marc Köntges The Modules research group is engaged in the development of new connection techniques for photovoltaic modules and optimizes the light management in the module to increase the module efficiency. These include, for example, the use of many thin current conductors in the module to minimize resistance losses and to optimize light coupling into solar cells. The group develops methods to find damages in solar modules. Here, an emphasis is put on imaging techniques such as camera based detection of uv fluorescence of molecules of the module laminate. Moreover commissions are carried out for failure analysis of modules with accelerated aging tests and standard tests according to IEC ISFH-Jahresbericht 2015

15 1 Institut für Solarenergieforschung Probenvorbereitung für die Untersuchung im Röntgendiffraktometer (XRD). Sample preparation for the examination in the X-ray diffractometer (XRD). ISFH Annual Report

16 1Institut für Solarenergieforschung Probe eines selektiven Absorbers für winkelabhängige spektrale Reflexionsmessungen. Sample of a selective absorber for angle-dependent spectral reflection measurements. 14 ISFH-Jahresbericht 2015

17 1 Institut für Solarenergieforschung Abteilung Solare Systeme Leitung: Dipl.-Ing. Gunter Rockendorf Solar systems department Head: Dipl.-Ing. Gunter Rockendorf Die Forschungsaktivitäten der Abteilung Solare Systeme umfassen die Integration der solar erzeugten Energie in kostengünstige und zuverlässige Anlagen zur Versorgung von Gebäuden und Prozessen. Dazu werden grundlegende Arbeiten zu neuen Konzepten sowohl für Komponenten mit verbesserten Eigenschaften als auch für neue Systemkombinationen entwickelt. Diese Konzepte werden gemeinsam mit Partnern aus der Wirtschaft erprobt und umgesetzt. Die Sicherstellung der erwarteten Qualität unter Berücksichtigung der Schnittstellen zum Gebäude und der konventionellen Systemkomponenten in Simulation, im Labor und im Feld ist eine wesentliche Aufgabe. Des Weiteren werden entwicklungsunterstützende und zertifizierende Auftragsprüfungen durch das Calibration & Test Center (CalTeC) angeboten. Solarthermische Materialien Leitung: Dr. Rolf Reineke-Koch Die Arbeitsgruppe Materialien Solarthermie evaluiert neue Konzepte für Wärmeschutzverglasungen und selektive Beschichtungen von Absorbern in Kollektoren. Die Entwicklung von Beschichtungen in eigenen Anlagen, die Unterstützung des Transfers in die Industrie, die Prüfung der Alterungs- und Korrosionsbeständigkeit sowie die materialwissenschaftliche und optische Charakterisierung einschließlich spektraler Ellipsometrie sind Arbeitsschwerpunkte. In aktuellen Projekten stehen temperatur-induziert schaltende Absoberschichten im Fokus. Kollektoren Leitung: Dr.-Ing. Federico Giovannetti Im Zentrum der Forschung stehen der Sonnenkollektor und der Solarkreislauf. Gebäudeintegration, Kosten- und Materialeinsparung, Betriebssicherheit sowie Kollektoren für neue Einsatzbereiche sind die wesentlichen Aufgaben. Aktuelle Themen sind Kollektoren, bei denen sich im Stagnationsfall kein Dampf bildet, photovoltaisch-thermische Kollektoren, hocheffiziente Flachkollektoren und neue Lösungen für die Fassade. Systemkomponenten Leitung: Dipl.-Ing. Carsten Lampe Im Fokus dieser Arbeitsgruppe stehen die experimentelle Bewertung und Modellierung nichtsolarer Systemkomponenten wie z. B. Frischwasserstationen, Wärmepumpen und Brennwertkessel und Subsysteme wie z. B. Energiezentralen von Mehrfamilienhäusern. Besonders hervorzuheben sind die Entwicklung und Optimierung von Warmwasserspeichern und die Vermeidung von Einrohrzirkulation an den Speicheranschlüssen. The research activities of the solar systems department incorporate the integration of solar energy in cost efficient and reliable supply systems for buildings and processes. In detail, basic research is carried out with regard to both new components with improved characteristics and new system combinations. These concepts are proved and implemented in cooperation with our project partners. Assuring of the expected quality concerning the interfaces to the building and to the conventional system components with simulation methods, laboratory experiments and field investigations is essential. Furthermore, the accredited Calibration & Test Center (CalTeC) offers development support and certification tests to our industrial partners. Solar thermal materials Head: Dr. Rolf Reineke-Koch The Solar thermal materials group is evaluating new concepts for thermally insulating glazings and for selective coatings on absorbers for use in thermal collectors. The main focus is on the development of coatings, supporting their transfer to industry, the testing of their ageing and corrosion behavior, as well as their material scientific and optical characterization including spectral ellipsometry. Absorber layers with temperature depending properties are currently one main topic. Collectors Head: Dr.-Ing. Federico Giovannetti The research activities of this group focus on solar collectors and collector loops. Building integration, cost and material saving, operational reliability as well as solar collectors for new applications are the fundamental tasks. Current topics are solar collectors, which do not produce vapour in case of stagnation, photovoltaic thermal collectors, highly efficient flat plate collectors and new solutions for façades. System components Head: Dipl.-Ing. Carsten Lampe The focus of this group is directed to the experimental evaluation and modeling of non-solar system components like hot water modules, heat pumps and condensing boilers and subsystems like central heat generation and distribution facilities in multifamily buildings. One main topic is the development of new storage tanks with special emphasis on the energetic quality of tank installations (e. g. avoiding tube internal recirculation). ISFH Annual Report

18 1Institut für Solarenergieforschung Elektrische Energiesysteme Leitung: Prof. Dr.-Ing. Martin Kesting Ziel der Arbeitsgruppe ist die wirtschaftliche und technische Optimierung von Versorgungssystemen für elektrische Energie für Wohngebäude, Siedlungen, Handel, Dienstleistung und Gewerbe. Dabei wird die Wärmeversorgung aus Elektroenergie einbezogen, so dass die Interaktionen zwischen elektrischen und thermischen Komponenten bzw. Bedarfen eine wichtige Rolle spielen. Themen sind Systemsimulationen und Dimensionierungsregeln, das Übertragungsverhalten von Komponenten oder Subsystemen sowie Anlagenanalysen im Labor und Feld mittels eigener Messsysteme. Adaptierende und vorausschauende Regelstrategien unter Einbeziehung der Schnittstelle mit dem Stromversorgungsnetz können, mit optimiertem Einsatz der Wärme- und Stromspeicher, einen weitgehend netzdienlichen Betrieb sicher stellen. Thermische Energiesysteme Kommissarische Leitung: Dipl.-Ing. Gunter Rockendorf Die Entwicklung und Bewertung von effizienten thermischen Systemen zur Gebäude- und Prozessversorgung stehen im Mittelpunkt dieser Gruppe. Das umfasst neue Systemschaltungen wie z. B. die Einbindung von Gebäudemasse als Wärmespeicher, die Anwendung neuer Komponenten wie photovoltaisch-thermische Kollektoren und die Kopplung mit konventionellen Wärmeerzeugern und den Versorgungskreisen. Die Kombination von Sonnenenergie mit Wärmepumpen ist ein zentraler F&E-Schwerpunkt. Übergeordnet ist das Ziel, durch systemtechnische Maßnahmen End- und Primärenergie einzusparen. Systemsimulation und messtechnische Analyse im Labor und im Feld einschließlich automatisierter Kontrollverfahren sind wesentliche Methoden. Electrical energy systems Head: Prof. Dr.-Ing. Martin Kesting The objective of the electric energy systems group is the economic and technical optimization of decentralized supply systems for electricity used in residential buildings and areas, commerce and industry. The heat supply generated by electricity is of special importance; therefore the interaction between electric and thermal components and demands is of concern. The main topics are system simulation, design rules, transient response properties of components or subsystems, system analyses in laboratory experiments or field investigations. Self-adapting and predictive control strategies may, with respect to the local electric network, lead to a grid supporting operation of the building, if electric and thermal storages are used in an optimum way. Thermal energy systems Provisional Head: Dipl.-Ing. Gunter Rockendorf The development and the evaluation of efficient heat systems for buildings and process supplies are in the focus of this group. That incorporates new system set-ups like e. g. the activation of building inertia as thermal storage, the application of new components like photovoltaic thermal collectors and the coupling of solar loops with conventional heat generators and supply circuits. Particularly, the combination of solar energy with heat pumps is currently a key aspect of the R&D work. The superior aim is to save primary and end energy using system optimization techniques. System simulation and experimental analyses in laboratory and field investigations including automatic yield control procedures are important tools. Calibration & Test Center (CalTeC) Der Bereich der nach DIN EN ISO/IEC akkreditierten extern angebotenen Dienstleistungen wird seit 2015 im CalTeC zusammengefasst. Er gliedert sich in drei Fachbereiche: Leitung/Head: Dipl.-Ing. Carsten Lampe Since 2015 the externally offered services, which are accredited according to DIN EN ISO/IEC run as CalTeC. CalTeC is divided into three competence areas: CalTeC Thermal applications Leitung/Head: Dipl.-Ing. Carsten Lampe Der Bereich Thermal applications des CalTeC bietet als eine der großen europäischen Prüfstellen einen Fundus an Erfahrungen in allen Bereichen des thermischen Solarkollektors und der Solaranlage. Neben normgerechten Prüfungen nach den europäischen Standards EN 12975, EN und EN 12977, sowie dem internationalen Standard ISO 9806 und der Mitarbeit in Normungsgremien werden entwicklungsbegleitende Untersuchungen durchgeführt sowie Prüfverfahren weiterentwickelt. The Thermal applications unit of the CalTeC as one of the major testing facilities in Europe offers a wide range of different tests and much expertise with thermal solar collectors and solar thermal systems. In addition to doing tests in accordance with the European standards of EN 12975, EN and EN as well as the International standard of ISO 9806 and collaboration with standardization organizations we provide our knowledge for accompanying product development. Furthermore, test procedures are developed and improved. 16 ISFH-Jahresbericht 2015

19 1 Institut für Solarenergieforschung CalTeC Solar cells & sensors Leitung/Head: Dr. Karsten Bothe Der Bereich Solar cells & sensors bietet sowohl die Bestimmung der charakteristischen elektrischen Kenngrößen von kristallinen Siliziumsolarzellen, als auch die Prüfung von Spektrometern bezüglich der korrekten Bestimmung der spektralen Bestrahlungssträrke an. Die Bestimmung der elektrischen Kenngrößen erfolgt unter Standardtestbedingungen und ist konform mit den IEC Normen. Die Prüfung von Spektrometern erfolgt unter Einhaltung der Empfehlung der Commission internationale de L éclairage (CIE) in einer von der Deutschen Akkreditierungsstelle (DAkkS) gemäß ISO zertifizierten Prozedur. The unit Solar cells & sensors offers the determination of the characteristic electrical parameters of crystalline silicon solar cells as well as the testing of the correct measurement of the spectral irradiance of spectroradiometers. The determination of the electric parameters is performed under standard testing conditions and in accordance to the IEC standards. The testing of the spectroradiometers is carried out in accordance to the recommendations of the Commission internationale de L éclairage (CIE) in an ISO certified procedure. CalTeC Optics Leitung/Head: Dr. Rolf Reineke-Koch Im Bereich Optics des CalTeC werden die Prüfungen der optischen Eigenschaften zusammengefasst. Der Bereich ist akkreditiert für die Prüfung der Alterungsbeständigkeit von Absorberschichten gemäß dem internationalen Standard ISO und Ansprechpartner für die nationale Spiegelung dieses Standards beim Deutschen Institut für Normung (DIN). Es werden Reflexions- und Transmissions-Messungen im Spektralbereich von 220 nm bis nm angeboten. CalTeC summarizes all tests of optical qualities in its Optics - division. It is certified for testing the resistance to aging of the absorber layers in accordance with the international standard ISO Division Optics is a national counterpart for mirroring this standard into the corresponding committee of the German Institute for Standardization (DIN). The division offers reflectance and transmittance measurements in the spectral range from 220 nm through to 50,000 nm. Abbildung/Figure 13: Gruppenbild mit den Preisträgern bei der enercity-preisverleihung im Schloss Herrenhausen: (v.l.n.r.) Prof. Dr. Friedbert Pflüger (Direktor EUCERS und Vorsitzender der Jury), Dr. Thorsten Dullweber (Preisträger, Projektleiter am ISFH), Prof. Dr.-Ing. Rolf Brendel (Preisträger, Leiter des ISFH), Prof. Dr.-Ing. Erich Barke (Präsident a.d. der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover), Michael Feist (Vorstandsvorsitzender der Stadtwerke Hannover AG). Group picture with the award winners at the enercity award presentation ceremony in the Palace of Herrenhausen: (f.l.t.r.) Prof. Dr. Friedbert Pflüger (Director EUCERS and head of the jury), Dr. Thorsten Dullweber (award winner, project leader at ISFH), Prof. Dr.-Ing. Rolf Brendel (award winner, Director of the ISFH), Prof. Dr.-Ing. Erich Barke (former President of Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover), Michael Feist (Chief executive officer of the municipal works of Hanover). ISFH Annual Report

20 1Institut für Solarenergieforschung Wissenschaftlicher Beirat Scientific Advisory Board Prof. Dr.-Ing. P. Wriggers Solare Systeme Solar systems Dipl.-Ing. G. Rockendorf Solarthermische Materialien Solar thermal materials Dr. R. Reineke-Koch (SY) Aufsichtsrat Supervisory Board ORR Dr. S. Huster Geschäftsführung & Wissenschaftliche Leitung Executive office & Scientific Management Prof. Dr.-Ing. R. Brendel Photovoltaik Photovoltaics Photovoltaische Materialien Photovoltaic materials Prof. Dr. J. Schmidt (PV) Dr. K. Bothe, Dr. T. Dullweber, Prof. Dr. J. Schmidt Zentrale Dienste Central services Dipl.-Oec. W. Gaßdorf Weiterbildung/NILS Education/NILS Dr. R. Goslich Kollektoren Collectors Dr. F. Giovannetti Solarzellen Charakterisierung & Simulation Solar cell characterization & simulation Dr. K. Bothe ISFH Calibration & Test Center Dipl.-Ing. C. Lampe (CalTeC) Systemkomponenten Systems components Dipl.-Ing. C. Lampe Elektrische Energiesysteme Electrical energy systems Prof. Dr.-Ing. M. Kesting Thermische Energiesysteme Thermal energy systems Dipl.-Ing. G. Rockendorf (komm./prov.) Industrielle Solarzellen Industrial solar cells Dr. T. Dullweber Emergente Solarzellentechnologien Emerging solar cell technologies Prof. Dr. R. Peibst Zukunftstechnologien Photovoltaik Future photovoltaic technologies Dr. S. Kajari-Schröder Module Modules Dr. M. Köntges Thermal applications Dipl.-Ing. C. Lampe Solar cells & sensors Dr. K. Bothe Optics Dr. R. Reineke-Koch Das Organigramm des ISFH, Stand 12/2015. The organization of the ISFH, effective 12/2015. Zentrale Dienste Die zentralen Dienste stützen die gesamte Infrastruktur des Institutes. Sie bestehen aus einem technischen Bereich mit Mechanikwerkstatt, EDV Support und einem administrativen Bereich, dem die Sekretariate, das Rechnungswesen und die Öffentlichkeitsarbeit zugeordnet sind. Die zentralen Dienste werden von Dipl.-Oec. Wolfgang Gaßdorf geleitet, der gleichzeitig stellvertretender Institutsleiter ist. Central services The Central services department sustains the whole infrastructure of the Institute. It comprises a technical section with a mechanical workshop, data-processing support and an administrative section consisting of secretarial services, accounts, and public relations work. Central services is headed by Dipl.-Oec. Wolfgang Gaßdorf, who is also Deputy Director of the ISFH. 18 ISFH-Jahresbericht 2015

21 1 Institut für Solarenergieforschung Weiterbildung/NILS Leitung: Dr. Roland Goslich Eines der ersten Schülerlabore an einem wissenschaftlichen Forschungsinstitut ist die bereits 1998 am ISFH gegründete Niedersächsische Lernwerkstatt für solare Energiesysteme (NILS). Es ist eine bundesweit vorbildhafte Bildungsinitiative, die vom Kultusministerium des Landes Niedersachsen durch einen Kooperationsvertrag unterstützt wird. Ziel der Einrichtung ist die Heranführung von Kindern und Jugendlichen an den Themenbereich Energieerzeugung und Energienutzung insbesondere im Hinblick auf Verfügbarkeit, Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit und Klimaschutz. Education/NILS Head: Dr. Roland Goslich One of the first school laboratories at a scientific institute was the Lower Saxon Learning Workshop for Solar Energy Systems (NILS) founded at ISFH as early as It is an educational initiative exemplary for the whole country which is supported by the Ministry of Education of the State of Lower Saxony through a cooperation agreement. The aim of the workshop is to introduce children and young people to the topic of energy production and energy use in particular in respect of its availability, sustainability, economic viability and climate protection. Aufsichtsrat Der Aufsichtsrat bestellt, überwacht und berät die Geschäftsführung. Er besteht gemäß dem Gesellschaftervertrag aus bis zu neun Mitgliedern. Ein Teil der Mitglieder wird vom Land Niedersachsen direkt entsandt, die übrigen werden von der Gesellschafterversammlung gewählt. Der Aufsichtsrat lädt zu seinen halbjährlichen Sitzungen regelmäßig Gäste ein, die beratende Funktion ausüben. Der Aufsichtsrat tagte am 29. Juni 2015 und am 30. November Die Mitglieder dieses Gremiums sind: Supervisory Board The Supervisory Board appoints, controls and advises the Managing Director. According to the Institute s statutes it consists of up to nine members. Some of the members are directly appointed by the State of Lower Saxony, the rest being elected by a shareholders general meeting. The Supervisory Board also regularly invites guests to its biannual meetings who perform an advisory function. The Board s general meeting was held on 29 June 2015 and on 30 November The members of the Board were: Der Aufsichtsrat der Institut für Solarenergieforschung GmbH in Hameln (von links): Prof. Dr. Jürgen Parisi, Prof. Dr.-Ing. Rolf Brendel (Institutsleiter), Dr. Ulrich Stiebel, BD Dr. Anke Grieße, ORR Dr. Sebastian Huster, Landrat Tjark Bartels, Dr. Winfried Hoffmann, Prof. Dr. Rolf Haug. The Supervisory Board of the Institute for Solar Energy Research GmbH in Hamelin (from left): Prof. Dr. Jürgen Parisi, Prof. Dr.-Ing. Rolf Brendel (Director), Dr. Ulrich Stiebel, BD Dr. Anke Grieße, ORR Dr. Sebastian Huster, County Commissioner Tjark Bartels, Dr. Winfried Hoffmann, Prof. Dr. Rolf Haug. ISFH Annual Report