Photovoltaik - ein alter Hut oder spannende Wissenschaft?

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1 Photovoltaik - ein alter Hut oder spannende Wissenschaft? Darmstadt Iver Lauermann, Sonya Calnan, Carolin Ulbrich Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

2 Inhalt Das HZB/PVcomB Stand der Photovoltaik heute Aktuelle Forschung am PVcomB Tandemzellen Wasserstoff als Speichermaterial Freilandmessungen an PV-Modulen Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

3 Das Helmholtz Zentrum Berlin Berlin Campus Adlershof Lise Meitner Campus PVcomB PVcomB: Kompetenzzentrum Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik Berlin Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

4 Forschung am Helmholtz Zentrum Berlin Energiematerialien von morgen Dünnschichtphotovoltaik Speichermaterialien (z.b. Wasserstoff, Batteriematerialien) Energieeffiziente Informationstechnologie Integration von PV in das Stromnetz Betrieb von Großgeräten Neutronenquelle BER II Synchrotronstrahlungsquelle der dritten Generation BESSY II Linearbeschleuniger BerLinPro Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

5 Photovoltaik: Stand der Technik Wo stehen wir? 2016: 300 Gigawatt-Marke an installierter PV-Leistung weltweit erreicht. Das entspricht der Leistung von nominell ca. 200 modernen Atomkraftwerken! Preis für PV-Strom z.t. schon unter 5 Cent/kWh Maximaler Zellwirkungsgrad ca. 25% Forschungs- und Entwicklungsbedarf Steigerung des Wirkungsgrades bei PV-Modulen -> niedrigere Kosten pro Quadratmeter Verringerung der Produktionskosten Erhöhung der Langzeitstabilität Vergrößerung der Einsatzbereiche durch flexible Module, variable Formen Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

6 Die Siliziumsolarzelle Max. theoretischer Wirkungsgrad 26-27% n-silizium Leiterbahnen Antireflexschicht Si-Solarzelle aus Einkristall (Siemens Solar) p-silizium Metallischer Rückkontakt Quelle: NREL Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

7 Energie Lichtabsorption im Halbleiter Bandlücke E g rotes Licht grünes Licht violettes Licht Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

8 Das Sonnenspektrum CuInS 2 Si Quelle: Bildarchiv HZB Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

9 Maximaler theoretischer Wirkungsgrad einer Solarzelle Wirkungsgrad [%] Bandlückenenergie [ev] Quelle: Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

10 Konzept einer Dünnschicht-Tandemsolarzelle Quelle: Bildarchiv HZB Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

11 Wirkungsgrad einer Tandemsolarzelle Quelle: Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

12 Methylammoniumbleiiodid ( Perowskit ) Iodid Blei Methylammonium Maximalwirkungsgrad > 20% Niedrige Temperaturen nötig Einfach herzustellen Quelle: Christopher Eames et al. - Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

13 Perowskit/Silizium Stapelzelle Wirkungsgrad 18% 200 µm 0,5 µm Quelle: HZB-News, Energy Environ. Sci., 2015, DOI: /C5EE02965A Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

14 Kupfer(Indium,Gallium)diselenid-Solarzelle Quelle: R.Klenk, HZB Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

15 CIGS/Perowskit-Tandemzelle Perowskitsolarzelle (halbtransparent) Kontaktschicht (transparent, leitfähig) CIGS-Solarzelle Top-Zelle Absorption des kurzwelligen Lichts, transparent für langwellige Strahlung Niedertemperaturprozess, mit unterer Zelle kompatibel Quelle: Y. Wang, HZB Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

16 Entwicklung eines Kontaktmaterials Theoretiker im Projekt schlagen Materialien vor (Transparenz, Leitfähigkeit) Materialien werden hergestellt und charakterisiert Vielversprechende Materialien werden zunächst in Einzelzellen, später in Tandemzellen eingesetzt Beispiel: Kennlinien einer Perowskitsolarzelle mit Cu 2 O als Kontaktschicht: Wirkungsgrad ca. 8-9% Quelle: Y. Wang, HZB Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

17 Solar Fuels: Speichermaterialien für Solarenergie Problem: PV-Strom steht nur tagsüber zur Verfügung Speicherung in Batterien ist teuer, erfordert viel Material (Lithium ) Lösung: Herstellung von Brennstoffen aus PV-Strom Solar fuels, z.b. durch Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff Wasserstoff: Treibstoff in Verbrennungsmotoren, Stromerzeugung in Brennstoffzellen, Umwandlung zu Methan Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

18 Zentrale Elektrolyseeinheit Solarstrom, Windstrom.. Zentrale Elektrolyse Bewährte Technik Zentral Funktion von Solarzelle und Elektrode getrennt Hohe Stromdichten, erfordern gute Katalysatoren Nutzung anderer Stromquellen möglich Wasserstoffspeicher Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

19 Dezentrale photoelektrochemische Wasserspaltung Dezentral Funktion von Solarzelle und Elektrode vereint Geringe Stromdichten, geringe Energieverluste möglich Hoher Forschungsbedarf: Stabilität, Katalysator, Energieniveaus Quelle: Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

20 Demonstrator Solarzelle mit Elektrolyseeinheit Dezentral Funktion von Solarzelle und Elektrode getrennt Geringe Stromdichten, geringe Energieverluste möglich Quelle: S. Calnan, HZB Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

21 Freilandmessungen Ziele der Freilandmessungen an PV-Modulen Zusammenwirken von größeren Energieerzeugungssystemen optimieren Verbessertes Temperatur- und Schwachlichtverhalten Frühe Fehlererkennung, Vermeidung von Degradation/Verstehen der Ursachen Präzise Ertragsvorhersagen Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

22 Freilandmessungen an Zellen und Modulen Erfassung von Wetterdaten Einstrahlung, global/diffus Temperatur, Niederschlag Windgeschwindigkeit/-richtung Messung von IV-Kennlinien von Solarzellen und modulen unter verschiedenen Ausrichtungen Quelle: Carolin Ulbrich, Maximilian Riedel, HZB Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

23 Erfasste Messwerte Quelle: Carolin Ulbrich, Maximilian Riedel, HZB Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,

24 Dank Sonya Calnan Carolin Ulbrich Maximilian Riedel Yajie Wang Dem gesamten Team des PVcomB BMBF, BMWi, EU-Kommission für die Finanzierung über Drittmittelprojekte Und ich danke Ihnen für die Aufmerksamkeit! Iver Lauermann Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt,