Photovoltaik Technologie und Anwendung Franz H. Karg AVANCIS GmbH Ludwig Maximilian Universität München 22.Januar 2007 1
Ausschnitte aktueller Energiedebatten Russische Ölversorgung unterbrochen Wärmster November seit Beginn der Wetteraufzeichnung Feinstaubbelastung erfordert Fahrbeschränkungen 2
Leitplanken nachhaltiger Energiepolitik (WBGU 2003) Ökologie Klimaschutz Nachhaltige Flächennutzung Schutz von Flüssen, Meeren und der Athmosphäre Sozio-Ökonomie Ausreichend und einkommensgerechte Energie für alle Begrenzte Risiken Keine Gesundheitsbelastung 3
Exemplarischer Pfad zur Energiewende (WBGU 2003) Kurzfristig: Energieeffizienz Mittelfristig: Begrenzter Einsatz fossiler Energiequellen (mit CO2 Sequestrierung) breites Spektrum regenerativer Energien Langfristig: Direkte Nutzung der Solarstrahlung 4
Solar energy is not there, but it s coming George W. Bush, Okt. 2005, nach Katrina: I had an interesting opportunity to go see some research and development being done on solar energy. I'm convinced, someday in the relative near future we'll be able to have units on our houses that will be able to power electronics within our houses, and hopefully, with excess energy, be able to feed them back in the system. That's possible. We're not there yet, but it's coming. 5
Flächenbedarf PV zur kompletten solaren Deckung Nordamerikas bzw. Westeuropas Quelle: WBGU Flächenbedarf zur solaren Stromerzeugung von USA bzw. Westeuropa Westeuropäischer Strombedarf wird zu 2/3 aus Einstrahlungsverhältnissen wie Belgien gewonnen und zu 1/3 wie in der Sahara Erforderliche PV Nennleistung für 100 % Strombedarf BRD: 883,3 TWh / 800 h = 604 GW Flächenbedarf: 604 GW x 20 m 2 /kw = 12 080 km 2 = (110 km) 2 = 3.4% der BRD Gesamtfläche Vergleichswerte: Verkehrsfläche 4.8 % Siedlungsfläche 7.8% 6 Zunahme der verbauten Fläche: 1 km 2 /d
Aufbau der Solarindustrie hat begonnen 7
Die PV Produktion wächst kontinuierlich: 30-40% /a Wachstum Konzentration auf J, D und China Source: EPIA 8
Preis-Erfahrungskurve der PV Module: Langzeittrend: -23 % pro Verdopplung der akk. MW 9
Lohnt sich die Subvention in die Photovoltaik? Additional Cost (Billion US$/Year) 25 0-25 -50-75 -100-125 -150-175 -200 Additional Annual Cost for Photovoltaics Learning Investments 150 billion US$ Present value for the period of 2000-2030 at 5% real discount rate: 330 billion US$ -225 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 Year Source: Experience Curves for Energy Technology Policy 10
Einbindung der PV in lokales und regionales Energienetz Solartarthermie (Solare Fassaden) Photovoltaik Module Wärme-Speicher Steuerung / Regelung Wechselrichter Heizung / Kühlung (Wärmepumpe) Licht und Kraft Niederspannungsnetz Gasnetz 11
Regionale Mittelung der PV Leistung Quelle: WBGU 2003 Saisonale Mittelung mit Windenergie / KWK Anlagen 12
Übersicht Kommerzielle Photovoltaik-Techologien: 1. Generation: kristallines Silizium 2. Generation: Dünnschichttechnologie Anwendungen 3. Generation und Ausblick: Tandemzellen und Konzentratoren 13
PV Grundkonzepte Mono / Multikristallines Silizium + Glas/Keramik / Metall / Kunststoff Dünnschichttechnologie Tandems und Konzentratoren 14
Aktuelles PV Marktwachstum wird getragen durch kristallines Silizium Quelle: FhG-ISE 15
Die Wertschöpfungsstufen bei der Si Photovoltaik Analogien zur Elektronik, aber Reinstsilizum (Ein)-Kristallstab Verschaltung Verkapselung wesentlich höherer Durchsatz (t Si / d) weniger Prozessschritte höherer Materialkostenanteil längere Betriebsdauer Wafer Modul Solarzelle 16
Herstellungsprozesse für Si-Wafer Quelle: PV Crystallox 17
Aufbau und Funktionselemente der Solarzelle 1 n Emitter e - 4 p Basis E g 3 e - 2 p+ BSF 1. Absorption / Reflexion / Transmission 2. Generation Elektron- Lochpaar h + E f h + 3. Diffusion 4. Ladungstrennung 18
Zuviel oder zuwenig Photonenenergie? 19
Ideale und reale Energieausbeute einer Einfachsolarzelle [Eg: 1.1eV] W/m2/µm W/m2/µm 1800 1800 1600 AM 1600 AM 1.5g 1.5g [W/m2/µm] 1400 Ideale 1400 Ideale Energieausbeute 1200 1200 einschließlich SR SR Verluste Verluste 1000 1000 real real(sr (SR + Voc Voc Verluste) 800 800 600 600 400 400 200 200 0 250 250 500 500 750 750 1000 1000 1250 1250 1500 1500 1750 1750 2000 2000 2250 2250 2500 2500 nm nm 20
Theoretische und praktisch erzielte Solarzellenwirkungsgrade Carnot Begrenzung (fokusierte Solarstrahlung, Multi- Tandemzelle) Nichtfokusierte Solarstrahlung (Multi-Tandemzelle) Einfachzelle (Nichtfokusierte Solarstrahlung) Theorie 95 % 66 % 31 % Praxis 40.7 %* < 30 % / < 25 % Labor / Fertigung <25 % / < 20 % Labor / Fertigung * Spectrolab 12/06 21
Reduktion optischer Verluste (1): Entspiegelung Nach SiN Antireflexbeschichtung Nach Sägeschadenätzung 22
Reduktion optischer Verluste (2): Oberflächentexturierung 70 60 Reflection [%] 50 40 30 20 10 0 untextured --- double layer ARC SiN ARC black silicon 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Wavelength [nm] Plasma Etched Black Silicon 23 KOH geätzte [100] Mono-Silizium
Standard Solarzellen-Prozess für kristallines Silizium Sägeschaden-Ätzung Phosphor-Diffusion Phosphorglas-Ätzung SiN - Beschichtung Kantenisolation I/U Test Saure Texturätzung POCl Diffusion Al-BSF Rückseite Laser-Kantentrennung Einsetzbar sowohl für Mono als auch Multi Si Wafer Siebdruck Vorderseite Siebdruck Rückseite Einbrennen 24
Neue produktive Diffusionstechnologien Mehrstockofen Durchlaufofen 25
Reduktion optischer Verluste (3): Vertikales Grid 26 Quelle: BP Solar
Reduktion optischer Verluste (4): Rückkontaktzelle Quelle: Sunpower 27
Zwischenbilanz Si-Photovoltaik Dominante Technologie (95%) Robuste, standardisierte Fertigungstechnologie Lange Lebensdauer praktisch demonstriert Kritische Masse an F&E, Anlagenbauern und Produzenten Materialintensiv 28
Übersicht Kommerzielle Photovoltaik-Techologien: 1. Generation: kristallines Silizium 2. Generation: Dünnschichttechnologie Anwendungen 3. Generation und Ausblick: Tandemzellen und Konzentratoren 29
Alternative PV Herstellkonzepte Silicon Circuit Cu, In, Se oder SiH 4 Ingot Encapsulation Verschaltete Zellenstruktur Wafer Solar cell Module Verkapselung Modul Si-Wafer Analogie: Diskrete Elektronik Dünnschicht-Analogie: Optik 30
Aufbau typischer Dünnschichtsolarzellen CIGS: Substrat-Konfiguration a-si: Superstrate-Configuration ZnO Glass CIGS Mo Glass 31
Kontrolle der Kristallinität von Si-Dünnschichten in der PECVD Beschichtung 32
Kritische Dünnschichttechnologien (1): PECVD Anleihen bei der FPD Industrie Quelle: Oerlikon 33
Kritische Dünnschichttechnologien (2): Sputtern Anleihen bei der Architekturglasindustrie Substratglasbeschichtung auf 3.20m Substratbreite Quelle: GL Coating 34
Integrierte Verschaltung in der Dünnschicht-PV CIS als Absorberschicht hier exemplarisch (alt. CdTe, a-si, Org. HL) Weissglas + - + Kleber ZnO CIS Mo Floatglas 3/1000 mm - 35
Bänderschema einer CIS Solarzelle Φ[eV] p - CIGS:Na n - ZnO CdS /ZnS p - CIS:Na 4.3 4.1 / 3.7 4.3 n - ZnO n-cds/ (n-zns) p - CIS:Na D 1 E f A 2 A 1 Mo p - CIGS:Na 3.8 Molybdän Alkali Barriere 4.2 Float Glass 36
Neue Materialien verlangen neue Charakterisierungsverfahren für große Flächen 59 45 30 15 1 1 20 37 55 72 89 position (cm) 30 x 30 cm 2 CIS Modul Lock-in Thermographie (Shunt Hunting) 59 -- 66 52 -- 59 45 -- 52 38 -- 45 31 -- 38 24 -- 31 17 -- 24 10 -- 17 Photoluminesence lifetime (ns) on 60 x 90 cm 2 37
Die Rolle der Wirkungsgrades: Feste flächenbezogene Kosten erfordern hohe Wirkungsgrade 3 @ 100 $/m 2 Installation + 0.5 $/Wp BOS 4 2 $/Wp Module Cost / W 2 1 1.5 $/Wp 1 $/Wp 50 $/m2 (Module Package) 3 2 System Cost / W 0 1 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 Module Efficiency C-Si CIS 38
Übersicht Wirkungsgrade: Vom Labor-Weltrekord zum Fertigungsdurchschnitt 25 Multi-Si Efficiency [%] @ AM 1.5 20 15 10 5 FhG-ISE NREL CIGS USSC Si Thin Film ASC UKN / BP / PW Sandia / HEM Pacific Showa Shell Kaneka (unstabilized) USSC Mittelwerte Fertigung Multi Si CIS Si TF 0 0.1 1 10 100 1000 10000 Cell / Module Aperture Area [cm2] 39
Zwischenbilanz Dünnschicht-Photovoltaik Kostengünstige Fertigungsverfahren verfügbar Konkurrenzfähige Wirkungsgrade demonstriert Integrierte Verschaltung gute Vorraussetzung für lange Lebensdauer, im Klimatest und an frühen Prototypen bereits demonstriert F&E Infrastruktur verbesserungswürdig Bisherige Fertigungseinheiten zu klein 40
Übersicht Kommerzielle Photovoltaik-Techologien: 1. Generation: kristallines Silizium 2. Generation: Dünnschichttechnologie Anwendungen 3. Generation und Ausblick: Tandemzellen und Konzentratoren 41
Netzferne PV Anwendungen oft kostengünstigste Lösung (keine Subventionen) 42
PV Aufdachanlagen mit 1-5 kw Nennleistung 43
Ästhetische Aspekte bei der PV Gebäudeintegration Multikritallines Silizium Modul CIS-Dünnschichtmodul 44
Gebäudeintegration von Dünnschichtmodulen (1) CIGS Wales 85 kwp (Shell) CIGS Tübingen 13 kwp (Würth) 45
Gebäudeintegration von Dünnschichtmodulen (2) Dachintegration von a-si Panelen New York (RWE_Schott) 46
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Multi-MW Grünflächenanlagen für Investmentfonds Pocking 10 MW Espenhain 5 MW 48 Höslwang 1.8 MW
Übersicht Kommerzielle Photovoltaik-Techologien: 1. Generation: kristallines Silizium 2. Generation: Dünnschichttechnologie Anwendungen 3. Generation und Ausblick: Tandemzellen und Konzentratoren 49
Signifikante Fortschritte bei Tandemzellen für Weltraum- und Konzentratoranwendungen Latest News: 40.7% mit Triple Junction (Spectrolab 12/06) 50
Aufbau einer Dreifach-Solarzelle MOCVD Epitaxie auf 4 Zoll Germaniumwafern Kommerzielle Fertigung für Weltraumanwendungen Erste Pilotprojekte für terrestrische Anwednungen Spektrale Energieausbeute einer Dreifachzelle Quelle: FhG-ISE 51
Vom Wafer zum Kraftwerk mit konzentrierenden Photovoltaik Systemen Quelle: FhG-ISE 52 In Pilotprojekten zu zeigen: Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit Wartungsaufwand
Weitere alternative Zellenkonzepte werden erforscht, entwickelt und erprobt Farbstoffsensibilisierte Zellen (Grätzelzellen) Organische Solarzellen Energiekonversion (Up & Down Conversion) 53
Zusammenfassung Umbau unserer Energieversorgung benötigt einen höheren Anteil regenerativer Energiequellen Photovoltaik könnte dafür mittelfristig einen wichtigen Beitrag liefern, Industrie befindet sich im Aufbau Kristallines Si ist dominante Basistechnologie mit allen technischen Voraussetzungen (Wirkungsgrad, Stabilität) Weitere Kostensenkungen erfordern zusätzliche Innovationen, z.b. Dünnschichttechnologie Konzentratorzellen 54
AVANCIS Dünnschichtfertigung in 2008 Torgau / Sachsen: 20 MW CIS Solarmodule einer neuen Generation Vor Ort Integration von Glasindustrie und Halbleiterindustrie 55