Photovoltaik - Neuentwicklungen der letzten Jahre

Transkript

1 Photovoltaik - Neuentwicklungen der letzten Jahre Rolf Brendel Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Abteilung Thermosensorik und Photovoltaik, Erlangen

2 Übersicht Neue Sichtweise auf Altbekanntes Wie funktioniert eine Solarzelle? Neu in den Fabriken Automatisierte Massenproduktion von Solarmodulen aus kristallinem Si für das Hausdach Neu in den Labors Sehr dünne kristalline Si-Solarzellen für den Weltraum

3 Wie funktionierte einer Solarzelle?

4 Energiebänder im Kristall Verluste: a) Nichtabsorption von langwelligem Licht b) Thermalisierung von heißen Ladungsträgern c) Rekombination

5 e/h -Paare haben chemische Energie erhöhte Ladungsträgerkonzentration Freie Energie des e/h-paares ist E Fp E Fp dabei ist E C E Fn ist Maß für Elektronenkonzentration

6 Wie lassen wir den Druck im Kessel gewinnbringend ab? Dotieren unter Kontakt hat Ventilfunktion Aber: hoher Widerstand in Basis

7 Dotieren der Basis senkt Serienwiderstand Emitter Basis BSF Asymmetrie der Metall/Si-Übergänge hat pn- Übergang zur Folge

8 Zelldicke muß Materialqualität angepasst sein Emitter Basis BSF Transportstrecke W < Diffusionslänge L dünne Solarzellen sind günstig

9 Lichtweg-Verlängerung 2 W Problem: niedrige Absorption in dünnen Filmen 50 W Lösung: Totalreflexion in strukturierten Filmen

10 Zusammenfassung Wie funktioniert Solarzelle? Photonen werden absorbiert Textur erhöht die Lichtweglänge Generation von e/h-paare erzeugt Überdruck Asymmetrische Dotierung läßt Elektronen nur auf einer Seite und Löcher auf der anderen Seite raus Strom = Generation Rekombination Rekombination im Volumenmaterial: Diffusionslänge L Diffusionslänge L > Zelldicke W

11 Massenproduktion von Solarzellen

12 Bisher: Silizium aus Mikroelektronik t/a für Elektronikindustrie davon t/a für Photovoltaik (Photon 9/2001)

13 In Zukunft: Elektronik-Si wird knapp 8000 Tonnen Si Defizit Angebot (P. Woditsch, W. Koch, BayerAG/Deutsche Solar)

14 Herstellung von multikristallinen Blöcken Si Schmelze (T >1450 C) Ofen Blockgießanlage für multikristallines Silizium Quelle: crystalox multikristalliner Si Block

15 Sägen der Siliziumblöcke Wafer Draht Si Block Wafer Block ca. 30% Materialverlust Quelle: baekert (links), crystalox (rechts)

16 Interessante Alternative: Bändersilizium Vermeiden der Sägeverluste Quelle: ASE

17 PV-Fabrik RWE GmbH (Alzenau) Fertigungslinie (13 MW p ) für PV-Module aus EFG Silizium. Quelle: ASE

18 Herstellsequenz von EFG- Siliziumsolarzellen 1. Reinigung 4. Si3N4 6. Frontkontakt 2. Diffusion 5. Lötpads 7. Messen 3. Reinigung 6. Rückkontakt

19 Verschaltung zu Modulen Anflöten der elektrischen Verbinder und Verbinden Quelle: SolarFabrik

20 Laminieren der Module Glas EVA Zelle EVA Glas Rahmen Laminator

21 Quelle: solec Solarmodule

22 Zusammenfassung: Massenproduktion von Solarzellen % Wirkungagrad Kristallzucht Sägen oder Bänderziehen Diffusion Antireflexschicht Siebdruck Feuern

23 Wirkungsgradeerwatung η [%] 20 Si-Wafer-Technologie 10 0 a-si CIS CdTe heute nahe ferne Zukunft Si (kristallin) Dünnschicht Zeit Quelle: PRISMA Präambel, ASE

24 Dünnschichtzellen für den Weltraum

25 Schichttransfer mit porösem Silizium (PSI-Prozess) Glasträger Si Solarzelle strukturiertes Si Substrat poröses Si Si Substrat poröses Si Si Solarzelle Si Substrat Glasträger SiSolarzelle poröses Si Si Substrat Herstellung einkristalliner strukturierter Si-Filme auf wiederverwendbaren Si-Substraten Si Substrat Wiederverwenden (Brendel 1997)

26 Statistische Texturierung für hohe Absorption Si Substrat Ätzen in KOH/Ethanol strukturiertes Substrat keine Photolithographie 5 µm

27 Poröses Silizium elektrochemisches Ätzen in Flusssäure/Ethanol 200 nm 5 µm Doppelschicht-System: - niederporöse Deckschicht für Epitaxie - hochporöse Sollbruchschicht zum Ablösen

28 Chemische Gasphasenabscheidung Mikroelektronik-Reaktor: - Substrattemperatur 1100 C - Wachstumsrate µm/min - Defektdichte < 10 3 cm -2 - Diffusionslänge > 35 µm zu teuer für Photovoltaik PRISMA: ZAE Bayern und RWE Solar GmbH entwickeln Reaktor für 40x40 cm 2

29 Simulation: Restrukturierung beim Tempern Treibende Kraft: Reduktion der Oberflächenenergie

30 Konventioneller Zell-Prozess auf Vorderseite plasmageätzte Gräben Zelle 1 Zelle 2 Substrat 200 nm weitestgehend übertragbar auf 5 µm industrielle Fabrikationslinie Sollbruchschicht wie simuliert

31 Ablösen des Si-Substrates Fensterglas transparenter Kleber Zelle 1 Zelle 2 hohe Ausbeute beim Ablösen 10µm invertierte Pyramiden für erhöhte Lichtabsorption

32 Neuer Modul-Prozess für integrierte Verschaltung Zelle 1 Zelle 2 Ätzprozess stoppt an Metall und Kleber Rückseite zugänglich Plasmaätzen 12 min Reaktor 40x40cm 2 16 µm Zelle 1 Zelle 2 Rückseiten-Metallisierung -

33 PSI-Dünnschichtmodul Modul (16 µm 25 cm 2 ): - V oc = 3035 mv (607 mv pro Zelle) - η = 10.6 % - keine Photolithographie - nur ein zusätzlicher Schritt im Vergleich zur Einzelzelle cm Einzelzelle (25 µm 4 cm 2 ): - V oc = 623 mv - η = 15.4 %

34 Si-Photovoltaik im Weltraum Schädigung durch Elektronen und Protonenbeschuss Quelle: Fa. ASTRIUM

35 Simulation der Degradation NORMALIZED CURRENT ELECTRON DOSE F [10 15 /cm 2 ] S S waffle W C = 7 µm conventional W C = 50 µm DIFFUSION LENGTH L [µm] 5 Dünne Zellen: - L > W gilt länger - Startgewicht niedriger - flexibel

36 Zusammenfassung: Dünnschichtzellen neue PSI-Dünnschicht-Modultechnologie entwickelt: - Rekonstruktion von porösem Si - internationaler Spitzenwert für Wirkungsgrad wichtige Anforderungen für Weltraum erfüllt: - niedriges Startgewicht - verbesserte Strahlungsresistenz wichtige Anforderungen für terrestrischen Einsatz erfüllt: - wenig Si-Verbrauch - einfacher photolithographiefreier Prozess - einfache Verschaltungstechnik