Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 7.1 Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2007/2008 Stand: 15.11.2007 Vorlesung Termin Thema Dozent Nr. 1 Di. 23.10.07 Einleitung/Wirtschaftliche Aspekte Lemmer 2 Fr. 26.10.07 Energiequelle Sonne Lemmer - Di. 06.11.07 Inauguration Karlsruhe School of Optics & Photonics Lemmer 3 Fr. 9.11.07 Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer 4 Di. 13.11.07 Kristalline Silizium-Solarzellen Lemmer 5 Fr. 16.11.07 Elektrische Eigenschaften Lemmer 6 Di. 20.11.07 Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer 7 Fr. 23.11.07 Anorganische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 8 Di. 04.12.07 Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 9 Di. 11.12.07 Third Generation Photovoltaics Lemmer 10 Di. 18.12.07 Photovoltaische Systeme I Lemmer - - Weihnachtsferien Lemmer 11 Di. 08.01.08 Photovoltaische Systeme II Lemmer 12 Fr. 11.01.08 Solarkollektoren Lemmer 13 Di. 15.01.08 Passive Sonnenenergienutzung 13 Di. 22.01.08 Solarthermische Kraftwerke Lemmer 14 Di. 29.01.08 Energiespeicher/Solarchemie Lemmer 15 Fr. 01.02.08 Kostenrechnungen zu Solaranlagen Lemmer 16 Di. 05.02. 08 Energieszenarien Lemmer 17 Di. 12.02.08 Exkursion Lemmer
7.2 Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien
Marktentwicklung der versch. PV-Technologien 7.3 Quelle: DGS 2007
Warum c-si und multi-si? 7.4 - hohe Wirkungsgrade - hohe Zuverlässigkeit, hohe Langzeitstabilität (> 20 J.) - reichlich Si vorhanden - nicht toxisch
7.5 Warum nicht c-si? Warum Dünnschicht? -c-si ist teuer - kostengünstigere Herstellung -c-si wird noch teurer, wenn der Bedarf nicht mehr durch Ausschuss von EG-Si aus der Mikroelektronik gedeckt werden kann (mittlerweile passiert) -c-si Technologie ist energieintensiv (Energierücklaufzeiten 6-8 Jahre) -großer Materialaufwand, Wafer sind -zu dick - kein großflächiger Prozess - geringere Energierücklaufzeiten -Schichtdicken im nm-bereich kontrollierbar - großflächige Deposition - monolithische Verschaltung -höherer Grad der Automatisierbarkeit der Prozesse
7.6 Energierücklaufzeit poly-si Quelle: Photon Dez. 2002
7.7 Energierücklaufzeit Dünnschicht Quelle: Photon Dez. 2002
Struktur c-si a-si 7.8 c-si: Nah- und Fernordnung a-si: nur Nahordnung
Elektronische Struktur in amorphem Si 7.9 Beweglichkeiten c-si: µ e =1100 cm 2 V -1 s -1 ; µ h =300 cm 2 V -1 s -1 Beweglichkeiten a-si:h: µ=2 cm 2 V -1 s -1
pin-solarzelle a-si:h 7.10 -die c-si Solarzelle beruht auf der Diffusion von Minoritätsladungsträgern L Diff (c-si)>200µm - L Diff (a-si:h) 150 nm - aber: Driftlänge 1 µm -Design der Solarzelle so, dass Absorption in der RLZ - dotierte Bereiche möglichst dünn pin-struktur
Solarzellen aus a-si:h 7.11 -Dotierung mittels Zugabe von B 2 H 6 und PH 3
Solarzellen aus amorphem Silizium 7.12 Abscheidereaktoren für die Herstellung von Solarzellen aus amorphem Silizium bei SchottSolar (www.schottsolar.de)
Solarzellen aus a-si:h 7.13 -superstrate -substrate
Legierbarkeit von a-si/ge/c:h: Multiple Zellen 7.14 -Beimischung von GeH 4 während der Abscheidung
7.15
Tandem-(Stapel-)solarzellen 7.16
Verschaltung von Tandemsolarzellen 7.17 Zweikontaktzellen: keine zusätzliche elektrischen Kontakte - Spannungen der Einzelzellen müssen sich addieren npnp
Verschaltung von Tandemsolarzellen 7.18 Zweikontaktzellen: keine zusätzliche elektrischen Kontakte - Spannungen der Einzelzellen müssen sich addieren npnp - Stromanpassung erforderlich (nur suboptimal möglich)
Vierkontakttandemsolarzellen 7.19
Vierkontakttandemsolarzellen 7.20
Tandemsolarzellen 7.21
Stabilität von a:si:h 7.22 - Staebler-Wronski-Effekt : licht- und ladungsträgerinduzierte Alterung durch Aufbrechen von Bindungen
7.23 Monolithische Verschaltung von Dünnschichtzellen
Monolithische Verschaltung 7.24 a-si:h-solarmodul
Roll to roll process (R2R) 7.25 Kontinuierliche Abscheidung auf flexiblen Substraten (Stahl, Polymer) www.rolltronics.com
7.26
Roll to roll process (R2R) 7.27 www.uni-solar.com
7.28 + kostengünstig + Energierücklaufzeiten 2-3 J. + ausreichend für viele Consumer-Anwendungen + Abscheidung auf kostengünstige und flexible Substrate - bescheidene Wirkungsgrade
Zwischen a-si und c-si: Das mikrokristalline Si (µc-si:h) 7.29 -Herstellung durch Dünnschichtprozeß (wie a-si:h), -aber vorteilhafte Eigenschaften eines Kristalls
7.30 c-si a-si:h
7.31
7.32
Tandemsolarzellen a:si:h/µc-si:h 7.33 Wirkungsgrade 11-12 %
www.csgsolar.com: Polykristalline Dünnschicht-Silizumzellen 7.34
7.35 Borosilicate Glass 3mm Texture Coat Both Surfaces (Dipping)
7.36 SiN Borosilicate Glass 3mm Deposit Anti-Reflection Coating (PECVD)
7.37 Si SiN Borosilicate Glass 1.5 µm 3mm p+ p n+ Deposit Silicon Film (PECVD)
7.38 Si SiN Borosilicate Glass 1.5 µm 3mm 0 Crystallise Si
7.39 Si 1.6 µm 0 SiN Borosilicate Glass 3mm Anneal Defects
7.40 + + + + + + + + + Si SiN Borosilicate Glass + 1.5 µm 3mm + + 0 + + + Hydrogen Passivation
7.41 Si SiN Borosilicate Glass 1.5 µm 3mm 0 Hydrogen Passivation
Einkristalline Dünnschichtzellen? 7.42
7.43 Chalkopyrite als Solarzellenmaterialien (I-III-VI 2 -Halbleiter) - niedrige Abscheidetemperaturen - geringe Oberflächenrekombination - hohe Absorptionskonstanten - geeignetes Bandgap - legierbar
7.44
7.45
7.46
7.47
Polykristalline CIS-Zellen 7.48
pn-heteroübergänge 7.49 - n-dotierung schwierig - Verwendung einer n-dotierten Fensterschicht (CdS)
pn-heteroübergänge 7.50 - ganz ähnliche Situation wie CdTe-Solarzellen
CIS: Herstellung der Absorberschicht 7.51
7.52
7.53 Idee zur weiteren Verbeserung: Chalkopyrit-Tandemzelle
Industrielle Aktivitäten CIS-Fertigung weltweit mit produktrelevanten Substratgrößen (2004) 7.54 Firma Fertigungsleistung in MWp/a Substrat Glas (m x m) Wirkungsgrad max/mittel Markt Shell Solar USA 3 0,3 x1,2 < 13% / 11% Ja Würth Solar Marbach 0.4 0,6 x 1,2 < 13% / 11,5% Ja Global Solar USA < 0.4 Metallfolie 1ft x.. ft (Rolle) 10% / 8% Militär (teilweise Consumer) Showa Shell Japan - 0,3 x1,2 14,2% / 11,8% Nein Honda Japan 0.15 0,8 x 1,3 (0,2 x 0,2) / 10% Nein Sulfur Cell Berlin - 0,6 x 1,2 - Nein Shell Solar München - 0,6 x 1,2 13,1% / 12,2% Nein