Braucht man eigentlich noch Photovoltaik-Forschung?

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Holger Schneider
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1 Braucht man eigentlich noch Photovoltaik-Forschung? Jürgen H. Werner Institut für Photovoltaik, Universität Stuttgart 14. Januar 2014

2 Katastrophenmeldungen 2013 Bosch steigt aus! Schott steigt aus! Solarworld ist (fast) am Ende! Insolvent: Sunways, Sovello, Centrotherm, Q-Cells, etc. etc. Deutsche Firmen zu wenig in Forschung investiert Photovoltaik-Forschung macht doch keinen Sinn mehr!

Insolvent: Sunways, Sovello, Centrotherm, Q-Cells, etc.

international team 35 coworkers, including 9 PhD candidates

3 Birgitt Winter Renate Zapf-Gottwick Jürgen Köhler Markus Schubert Institute for Photovoltaics - ipv 4 work groups international team 35 coworkers, including 9 PhD candidates technology industrial solar cells laser processes characterization, thin film silicon)

4 Über 1. PV-Geld (Kosten) 8 bis 12 ct/kwh in D, 5 bis 7 ct /kwh in CY/ES, 4 bis 6 ct/kwh in SA 2. PV-Installationen 2013: 120 GW weltweit, >35 GW in D Riesiger Markt in Asien, USA, Afrika, Südamerika 3. PV-Materialien 90 % kristallines Si, Lock-in Technologie 4. PV-Forschung am ipv Si-Module: hocheffizient Speicher: Si, 24 h Modul Intelligentes Modul Anlagenmesstechnik

PV-Installationen 2013: 120 GW weltweit, >35 GW in D Riesiger Markt in Asien, USA, Afrika,

5 Alte Sprüche gleich erledigt! Energierückzahlzeit: 1 bis 2 Jahre. Flächen: Auf 800 km² (von 3000 km 2 ) günstig gelegene Dachflächen passen ca. 120 GW PV. Früher (bis 2008): PV-Strom wird nie wirtschaftlich! Viel zu teuer, viel zu teuer! Heute (2014): Strom aus Kohle und Gas nicht mehr wirtschaftlich! PV-Strom viel zu billig, viel zu billig!

120 GW PV. Früher (bis 2008): PV-Strom wird nie wirtschaftlich!

6 1. PV-Stromkosten

7 electricity prod. cost C PV [ /kwh] Germany, Japan Cyprus South Africa PV-Strom, Kosten 0,30 0,25 0,20 T = 2000 /kw p n = 20 Jahre i = 5 % C K PV T E ann K i 1 (1 i) n 0,15 0, ct 1500 /kw p 1000 /kw p 500 /kw p 5-7 ct 0, ct 0, annual energy yield E ann [kwh/(kw p a)]

8 Stromgestehungskosten Photon 11/2013, S. 17

9 2. PV-Installationen

10 Strom aus Erneuerbaren Energien (2012) Stro 22 % erneuerbar Gesamt: 617 TWh 4,6 % 7,3 % 6,6 % 3,3 %

11 installed PV-power [MW] PV in Deutschland (Dez. 2013) GW GW 250 km : 650 W pro Kopf 10 2 Wachstum: Faktor in 20 Jahren exponentiell linear MW 0.02 km year 2 GW/a

Kopf 10 2 Wachstum: Faktor 20 000 in 20 Jahren exponentiell

12 100 GW PV weltweit installiert (2012) Source: Market Outlook, EPIA, 2013

13 PV Leistungskarte (2012) 2013: 440 W/person 2020: 650 W/person Source: Market Outlook, EPIA, 2013

14 Global Annual Solar Insolation

15 Deutsche Bank: Zweiter Goldrausch für Photovoltaik beginnt 08. Januar 2014 Das Finanzinstitut rechnet mit einem weiteren Zuwachs bei der installierten Photovoltaik-Leistung weltweit könnten bereits Anlagen mit 56 Gigawatt Gesamtleistung installiert werden. In diesem Jahr (2014) werden nach Ansicht der Analysten erneut die Länder USA, Japan und China die wichtigsten Photovoltaik-Märkte darstellen. Dort sei ein Zubau zwischen acht und zwölf Gigawatt in diesem Jahr möglich. Für Europa gehen die Analysten 2014 von einer neu installierten Leistung zwischen sieben und acht Gigawatt aus. Daneben werden bei der Deutschen Bank aber auch neue Märkte gesehen, die wesentlich zum weiten Wachstum des Photovoltaik-Weltmarkts beitragen könnten so werden Indien, Südafrika, Mexiko, Australien, der Nahe Osten, Südamerika und Südostasien genannt. In der Mehrheit dieser Märkte gebe es bereits eine Netzparität der Photovoltaik.

In diesem Jahr (2014) werden nach Ansicht der Analysten erneut die Länder USA, Japan und China die wichtigsten Photovoltaik-Märkte darstellen.

16 3. PV Materialien Welche Materialien? Dünnschicht ist viel besser! Organik noch viel besser!

17 c-si 15 % a-si 6 % CdTe 10 % CIGS 12 % c-si Dünnschicht

18 PV-modules [MW] Jährlicher Weltmarkt PV-Module GW PV total c-si Faktor 2000 in 30 Jahren!!! 20 MW a-si CdTe CIGS year

19 Market Share [%] Marktanteil Dünnfilmmodule Crystalline Si pred. for > 2012 by NPD Solar Buzz, Aug Thin Films

20 Module Price M [$/W p ] Lernkurve für Module aus kristallinem Si 1976 Faktor 100 in 40 Jahren!! 65 $ct/w p = 50 ct/w p

21 Tatsachen 2014 Si-Scheibe Modul Fliesen Ziegelsteine (15 %) ct/w /m bis bis : /m²

22 Und jetzt? Realität akzeptieren: - (Zell-)Materialdiskussion längst entschieden: Si-Modul ist Standard - China hat den Massenmarkt bei niedrigen (15 %) Wirkungsgraden - Zusammenarbeit für Maschinenbauer mit China nicht vermeidbar

23 4. PV-Forschung

24 Konsequenzen für Forschung 1. Lernkurve(n) konsequent weiter gehen (25 % Silizium-Zellen, 23 % Module, 30 ct/w, 5 ct/kwh). (Nur) an high-tech Modulen arbeiten 2. Forschung an Silizium-basierten Tandem-Zellen/Modulen > 30 % 3. >24 h-modul, Speicherung auf Basis Lithium/Silizium 4. More than Moore = More than Modules Intelligenz in lokalem System (LE, IK, AS) [Modul, Speicher, Verbraucher] Überwachung, Wartung, Betriebsführung, Prognose Lebenszyklus: Recycling, Entsorgung, Wert- und Giftstoffe

25 4.1 Höchsteffizienzmodule aus Silizium

27 Einfache Rechnung 2014 Module: 50 bis 60 ct/w p = 500 bis 600 /kw p. Wie viel kostet das Gesamtsystem? Komponenten Preis [ /kw p ] Anteil [%] Module, M Inverter, Gerüst, Versicherung, Gewinn des Installateurs, Fix Aufständerung, Kabel, Lohnkosten, BOS Summe, T T M BOS FIX flächenabhängig = %

28 Allowed Add. Module Price M [ct/w] Erlaubter Modul Preis M allow BOS = 80 /m² 100 /m² /m² 56 ct/w /m² 20 /m² M M BOS allow ref 1 ref 1 allow Module Efficiency [%]

29 Allowed Add. Module Price M [ct/w] Niedrigere Wirkungsgrade M allow BOS = 80 /m² 100 /m² /m² 60 /m² /m² Module Efficiency [%]

30 Allowed Add. Module Price M [ct/w] Höhere Wirkungsgrade M allow /m² BOS = 80 /m² 100 /m² 56 ct/w /m² 20 /m² Module Efficiency [%]

31 ipv-laser Rückseitenzelle PSG FSF n-type SiO 2 +SiN x SiO 2 SiN x emitter BSF contacts Laser Prozessieren - Schnell - Keine Defekte - Keine Maskierung, Lithografie Äquivalenter Marktpreis: 63 ct/w p Herstellkosten: 50 ct/w p Überführung in Produktion Morris Dahlinger, Kai Carsten, Renate Zapf-Gottwick, Jürgen Köhler,

furnace diffusion n-type BSF laser doping cleaning SiO 2 SiN x emitter BSF contacts thermal SiO 2 2

32 Jürgen H. Werner B(L)ack Si-n sputtering boron precursor SiO 2 emitter laser doping cleaning PSG FSF +SiN x POCl 3 furnace diffusion n-type BSF laser doping cleaning SiO 2 SiN x emitter BSF contacts thermal SiO 2 2 PECVD SiN x opening contact area metallization best cell V OC [mv] J SC [ma/cm²] FF [%] η [%] run * run Forming gas anneal

33 33 Nächste Schritte High-Tech -Module: η > 20 % < 0,5 /W (Modul), < 8 ct/kwh (bis herunter zu 5 ct/kwh) Tandemzellen (4 Terminal) η > 30 % Intelligente 24 h-module (Speicherung im Modul)

34 Tages-Energieertrag einer (!) 4 W-Solarzelle Pro Jahr: 1000 kwh/kw p = 1000 Wh/W p = 4000 Wh/ 4 W p Pro Tag und 4 W p -Zelle: 11 Wh 1.20 Ziel: pro Zelle Akku mit Speicher 2 bis 20 Wh/Tag Zum Vergleich: Handy-Akku 3000 mah x 3.6 V = 11 Wh 1 Akku pro 4 W Solarzelle 12 (Lithium-)Akku noch zu teuer und zu schwer (90 g bei 125 Wh/kg)

35 4.2 Speicher auf Basis Silizium - Silizium-Anode für Li-Ionen-Akkus - Si/Luft-Batterien - (Silizium-Superkondensatoren)

36 Si ist unsere Stärke!

37 4.2.1 Si-Anode für Li-Ionen-Akkus

38 Silizium höchste Speicherfähigkeit für Li Li 22 Si

39 Bunsentagung 2013 Nanoporous n-type silicon as anode for Li-ion batteries Nils Ohmer a Stefan Klingbeil b, Michael Reuter c, Dominik Samuelis a, Joachim Maier a, Jürgen H. Werner b,c a) Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Germany b) Institute for Photovoltaics, University of Stuttgart, Germany c) Steinbeis Center Photovoltaics, Stuttgart, Germany

40 Porous Silicon Anode 900 mah/g 1000 Zyklen Porosity 50 % Pore size 20 nm Thickness 4.6 µm Nanoporous n-type silicon as anode for Li-ion batteries

41 Dünnschicht-Si für Sekundärzellen Anoden für Li-Ionen Batterien (Koop. mit ZSW-Ulm) Laser Behandlung 100 nm Ahmed Garamoun, Christian Sämann

42 4.2.2 Si/Luft-Batterien

43 Metall/Luft-Batterien Zn: in Praxis geringere Energiedichte, 350 bis 470 Wh/kg Al: hohe Selbstentladung Li: Sicherheits-und Kostenprobleme Si: 8470 Wh/kg Si: Hohe Energiedichte Unendliche Quelle Billig -projects/batteries-for-o2-concentrators/

2 unsere ersten Schritte 500nm dotiert a-si auf Edelstahl Folie 0.

44 Voltage [V] Dünnschicht-Si für Primärzellen Flexible und aufrollbare Batterien 1.2 unsere ersten Schritte 500nm dotiert a-si auf Edelstahl Folie 0.9 test cell ,01 M KOH als Elektrolyt Energiedichte 220 Ah/kg, Entladungsstrom 7,9 µa/cm 2 01:00 02:00 03:00 Time [HH:MM]

45 4.3 Intelligente Photovoltaik

46 Intelligente PV-Module Einzellösungen am Markt verfügbar, (add-on und modulintegriert): Leistungsoptimierung (DC/DC) Sicherheitsabschaltung (Brand) in Zukunft notwendig: Zustandsüberwachung Kommunikation (Funk, Powerline, CAN-Bus ) Leistungsoptimierung (mehr als Schutzdioden) Konditionierung (Ausheilen von PID) Intelligentes Gesamtsystem (fester und mobiler Speicher, Verbraucher )

47 4.4 Anlagenwartung / -charakterisierung

49 Daylight Luminescence System Electroluminescence Photoluminescence Schott EFG Sunpower IBC Monocrystalline Sanyo HIT Multicrystalline Patentanmeldung: DE Liviu Stoicescu, Michael Reuter

50 Zusammenfassung 1. PV-Strom ist billig (und wird billiger) 8 bis 12 ct/kwh in D, Tendenz fallend Weltmarkt wird weiter stark wachsen Zweiter Goldrausch in Sicht 2. Photovoltaik-Forschung = Si + -Forschung + höchste Wirkungsgrade (> 20 %) + (Silizium)-Speicher + Anlagenwartung, -überwachung, -prognose + Intelligentes Modul (Leistungselektronik) + Tandemmaterial (> 30 %) + Informations- und Kommunikationstechnik (System) ipv + Automatisierungs-, Softwaretechnik, Leistungselektronik (System)

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