4. Workshop Photovoltaik-Modultechnik 29./30. November 2007, TÜV Rheinland, Köln Flexible PV Dünnschicht-Module - Übersicht weltweit Friedrich Kessler Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg -1-
Gliederung Einführung Herausforderungen Amorphe/ mikromorphe Module (a-si/nc-si:h) CdTe-Solarzellen auf Folie Flexible CIS bzw. CIGS-Solarzellen Flexible Farbstoffsolarzellen u. organische Solarzellen Zusammenfassung Danksagung -2-
Einführung Was heißt flexibel Begriffsbestimmung keine scharfe Abgrenzung flexibel/starr möglich kein grenzwertiger Biegeradius definiert keine Unterscheidung zwischen 1-mal-flexibel und dauerflexibel Flexibles Solarmodul im Sinne dieses Vortrags: Verzicht auf Glasverkapselung und Glassubstrat Roll-to-Roll -Beschichtung (R2R) ist prinzipiell möglich Modul bricht nicht (z.b. bei Steinschlag) optisch wahrnehmbare, wiederholbare Modulverbiegung (10 x 10cm2), die das Modul nicht schädigt -3-
Warum flexibel Motivation Flexibel leicht kostengünstig Anpassung an Träger mobile Anwendung R2R-Herstellung (Gebäudedach, Schiffsrumpf, Luftfahrt, Weltraum geringerer Material- Automobil, Consumer-Artikel) Montagevorteile neue Anwendungsfelder Transportvorteile Quelle: www.orbcomm.de -4- www.photoundluftschiff. de/skystation.html UNI-SOLAR www.sakku.ch verbrauch (Masse) geringerer Energieverbrauch www.thyssensolartec.com
Geeignete flexible Solarzellentypen Klassische Dünnschichtsolarzellen: a-si / micromorph ηmax = 13,3 % (Edelstahl) CdTe ηmax = 11,4 % (Polyimid) CIS, CIGS ηmax = 17,5 % (Edelstahl) Neu (nahe Zukunft): -5- TiO2 (Grätzelzelle) ca. 11 % (Glas!) Organische Solarzellen ca. 5% a-si/a-sige/nc-si:h a-si/nc-si/nc-si:h
Flexible Dünnschichtsolarzellen Herausforderungen Ziele: η flexibles Modul Kostenflexibles Modul = η starres Modul Kosten starres Modul Herausforderung Substrat Starre Standardmodule auf Glas 2 Konfigurationen möglich: hν hν 3 mm Frontabdeckung 0,5 mm 3 µm 3 mm -6- Laminierfolie Superstrat Zelle: CIS, a-si Substrat Substrat -Konfiguration Zelle: a-si, CdTe Laminierfolie 3 mm 3 µm 0,5 mm Rückseitenabdeckung 3 mm Superstrat -Konfiguration
Herausforderung Substrat Substrate für flexible Dünnschichtsolarmodule: Polymerfolien eingeschränkte Temperaturbeständigkeit hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient Ausgasen im Vakuum rel. hohe Wasser- und Gasdurchlässigkeit elektrisch isolierend geringe Dichte (leicht) geringe Oberflächenrauheit bevorzugtes Polymer und oft einzige Alternative: Polyimid -7-
Substrate für flexible Dünnschichtsolarmodule: Metallfolien Stahl hohe Temperaturbeständigkeit geeigneter thermischer Ausdehnungskoeffizient kein Ausgasen im Vakuum ausgezeichnete Gas- und Wasserdampfsperre Titan elektrisch leitend relativ hohe Dichte relativ hohe Oberflächenrauheit (Walzspuren) Bevorzugt eingesetzte Metallfolien: Edelstahl, Titan, Aluminium -8-
Herausforderung Frontverkapselung (Substratkonfiguration) Herausforderung: Eindringen von H2O und O2 (Korrosion der Kontaktschicht) flexible, transparente Frontverkapselung noch verbesserungsfähig (begrenzte Langzeitstabilität) Lösungsansatz: dünne Mehrfachschichten Barriere/Polymer aufwändig, (noch) teuer! SiOx ETFE Hotmelt ETFE Hotmelt } *n PV(D)F PET PET PET Multischichtsystem (Fa. Isovolta) -9- } *n Barix -Folie (Vitex Systems) für OLEDs
Herausforderung Serienverschaltung einzelner Zellen Zum Vergleich: Monolithische Verschaltung auf Glas Beispiel: CIS-Modul vom ZSW Zn:Al CdS CIGS Mo P1 G1 P2 G2 aktiver Bereich P3 0 P1 G1 P2 G2 lc Strukturierungsmethoden: Laser, Meißel, Lift-Off, - 10 - Glas P3 l x i-zno
Strukturierungsverfahren auf Glas nicht ohne weiteres auf Folie übertragbar - Unterscheidung leitfähiges/isolierendes Substrat Ziel: monolithische Verschaltung im R2R-Verfahren auf el. isoliertem Substrat Typische Verschaltung von Dünnschichtsolarzellen auf Metallfolie: Schindeltechnik : Zusätzliches Metall-Grid notwendig bei großer Zellbreite (z.b. 3 5 cm) Vorteil: - keine Unterbrechung/Störung des R2R-Beschichtungsablaufs - minimaler Verlust aktiver Fläche Nachteil: - Reduzierung der mechanischen Stabilität - zusätzlicher Verkapselungsaufwand notwendig - 11 -
Beispiele: Verschaltung schmaler Zellen ohne Grid CIGS auf Ti-Folie (Weltraum) CIS auf Cu-Band Quelle: IST, Institut für Solartechnologien ggmbh MATRIX space solar array by R.Zwanenburg, M.Kroon; Proceedings of the 7th European Space Power Conference (2005), Stresa - 12 -
Verschaltung auf Polymerfolien: Schindeltechnik bei el. isolierenden Polymersubstraten nur indirekt möglich monolithische Verschaltung prinzipiell möglich Typische Verschaltung auf Polymerfolie: monolithisch (bzw. quasimonolithisch) Beispiel: Einzelne Zelle mit Grid a-si auf Polyimid mit Front-Grid Quelle: PowerFilm (Iowa Thin Film Technologies) - 13 -
Amorphe bzw. mikromorphe Solarmodule (a-si/nc-si:h) hν Grid ITO Beispiel: p a-si:h Aufbau einer amorphen TripelDünnschichtsolarzelle von Uni-Solar n a-si:h p a-si:h (Substrat-Konfiguration) i a-si:h i a-sige:h n a-si:h p a-si:h i a-sige:h n a-si:h ZnO Ag Edelstahlfolie - 14 -
R2R-Modulherstellung von amorphen/micromorphen Modulen Unternehmen Standort Substrat Fertigungstechnologie Stand η [%] (stabil) Produktionsvolumen/ Kommerzieller Start Uni-Solar (United Solar Ovonic) USA, Auburn Hills etc., Michigan Edelstahl 125µm dick 36 cm breit R2R, PECVD, Triple a-si/a-sige/a-sige:h a-si/a-sige/nc-si:h a-si/nc-si/nc-si:h Produktion 13,31 Zelle ca. 7 Modul Prod. 2006: 32 MWp Prod. 2007: 60 MWp? Kapazität Ende 2010: 300 MWp* Helianthos bv/nuon Niederlande, Arnheim Al, 35 cm (120 cm), Al-Ablösung nach Verkap. R2R, PECVD, Single, Tandem a-si/a-si:h a-si/nc-si:h Pilotierung 7,9 Tandemzelle Planung: Prod. 2010: 90 MWp PowerFilm Inc. (Iowa Thin Film Technologies) USA, Ames, Iowa Polyimid, 25 µm dick 33 cm breit R2R, PECVD, Tandem a-si/a-si:h Produktion 3,5-5 Modul Kapazität Ende 2006: 1 MWp Flexcell VHFTechnologies Yverdon-lesBains, Schweiz Polyimid, 50 µm dick 30 (50) cm breit R2R, VHF-PECVD, Single a-si:h Pilotproduktion 4,5 Modul (45 Wp) Prod. 2006: 0,04 MWp Prod. 2007: ca.0,75mwp Plan 2008/9: 25 MWp Fuji Electric Systems CO. Japan, Kumamoto, Polymer R2R, PECVD, a-si/a-sige:h Pilotproduktion 6,1 Modul (96 Wp) Kapazität Ende 2006: 3 MWp Prod. 2007: 12 MWp Kap. 2009: 40 MWp Quelle: Sonne Wind & Wärme 12/2006, Homepage des Herstellers, Info des Herstellers - 15 -
Beispiel 1: Uni-Solar (United Solar Ovonics, USA): 30 MW R2R PECVD Uni-Solar ist Marktführer für flexible Dünnschichtsolarzellen R2R-Beschichtung aus Kostengründen Simultanabscheidung der 9 HL-Schichten (Tripel-Zelle) auf 6 Rollen Eckdaten: - Anlagenlänge 90 m, Höhe 3 m - Bandgeschwindigkeit: 30 cm/min - 16 -
Garantie: Verkapselung: ETFE (Tefzel ) + Ethylen-Propylen-Copolymer Verschaltung: Schindeltechnik + Grid 68 W 20 J. (80%) 20J. 20J. 10J. 10J. Module mit Rahmen 39,4 x 284,9 cm2 Dicke: 4 mm η = 7,3 % - 17 -
Anwendungsbeispiele (UNI-SOLAR) Power-Markt + Lamination im R2R-Verfahren - 18 -
+ Betreutes Seniorenwohnen, Braunschweig (Alwitra) BJ: 2007 Leistung: 32,76 KWp - 19 - EVALON Solar (alwitra)
+ Industriefassade in Duisburg-Beeckerwerth Leistung: 51,76 KWp Solarfläche: 1000 m2 Jahresertrag: 32.130 kwh/jahr (erwartet) Design: Farbstudio von Garnier - 20 -
Beispiel 2: Helianthos bv/nuon, Arnheim, Niederlande Besonderheiten: R2R-PECVD-Abscheidung auf Al-Folie, 35cm (120cm), die später wieder abgelöst wird (a-si/a-si:h a-si/nc-si:h) APCVD-Abscheidung des TCO Quelle: Helianthos, Nuon, Dr. R. Bartl, FVS-Workshop 2005 (R. Schlatmann) monolithische Verschaltung Produktion nicht vor 2010 Beispiel 3: PowerFilm Inc. (Iowa Thin Film Technologies), USA, Ames, Iowa R2R, PECVD, Tandem a-si/a-si:h auf Polyimid 33 cm (d = 25 µm) kleine Produktion monolithische Verschaltung Märkte: Gebäudeintegration, Consumer-Artikel, Militär - 21 -
Beispiel 4: Flexcell VHF Technologies, Yverdon-les-Bains, Schweiz R2R VHF-PECVD-Abscheidung auf Polyimid, Single a-si:h, 30cm bzw. 50cm 45W-Modul: η = 4,5% monolithische Verschaltung Quelle: Produktion 2008/9: 25MWp (2007: ca. 750kWp) Beispiel 5: Fuji Electric Systems CO., Kumamoto, Japan R2R PECVD-Abscheidung auf Polymer, a-si/a-sige:h 96W-Modul: η = 6,1% Serienverschaltung: SCAF (Series Connection through Apertures Formed on Film Substrate) Produktion 2007: ca. 10MWp - 22 - Quelle: Fuji Electric Systems
CdTe/CdS-Solarzellen auf Folien Keine kommerziellen Aktivitäten bekannt auch im Labormaßstab nur geringe Aktivitäten ETH Zürich (A. Romeo, A.N. Tiwari): Polyimid: η = 11,4% (Superstrat) η = 7,3% (Substrat) SuperstratKonfiguration η = 11,4% η = 7,8% hν Rückkontakt TCO TCO CdTe CdS CdTe CdS TCO TCO Rückkontakt Polyimidsubstrat hν - 23 - SubstratKonfiguration Metall o. Polyimid
Flexible CIS bzw. CIGS Solarmodule hν Standardaufbau einer flexiblen Chalcopyrit-Solarzelle (Substrat-Konfiguration) ZnO:Al Puffer (z.b. CdS) Cu(InGa)Se2 CuInSe2 CuInS2 Mo evtl. Barriere Edelstahl, Ti, Al, Polyimid - 24 -
CIS-Module auf Metallfolien Unternehmen Substrat Global Solar Energy, Inc. USA, Tucson, Arizona Edelstahl 30,48cm breit R2R, Koverdampfung Produktion Miasolé USA, Santa Clara, CA Edelstahl 50µm, 0,6m bzw. 1 m breit R2R, Kosputtern in SeAtmosphäre Pilotproduktion 10,52 (2,42 cm2) Ende 2007? Noch kein Produkt Ziel: 50 MWp/Jahr Daystar Technologies USA, Halfmoon, New York Edelstahl, Einzeller 10x10cm2 und 15,6x15,6cm2; Anlehnung an csi Wafer Chargen, R2R, Sputtern + Selenisierung; auch Koverdampfung für Hocheffizienzellen Aufbau einer R2RProduktion 16,9 (1,1 cm2) (Koverdampfung!!); Sputterziel: 10% 2007? Weltr.: CIGS dampfen Terr.: CIGS sputtern Verzicht auf monol. Verschaltung CIS-Solartechnik GmbH & Co. KG Deutschland, Hamburg Edelstahl, (Cu) R2R, CuInSe2, Elektrodeposition, Metallbänder ca. 4cm breit; Verschaltung zu Modulen 60x120cm2 Pilotproduktion 11,4 (1 cm2) 2008/9 20 MWp Produktion geplant Matsushita Electric Ind., Ltd. Japan, Seika, Kyoto Edelstahl R2R, Koverdampfung - 17,1 Stahl (0,96 cm2) 12,6% (91,1 cm2) - Odersun AG Deutschland, Frankfurt/Oder Kupfer, 1 cm breit 0,1 mm dick R2R, Elektrodepos., sulfurisieren Pilotierung 11 (1cm2) > 8 (aus Serie) 2007, Produktion seit USA, Palo Alto/ Menlo Park, CA Aluminium (oder auch Edelstahlfolie) R2R, Drucken, Nanopartikel (Tinte) Pilotproduktion 13,95 mit Grid 14,6 ohne Grid (0,47 cm2) 2007? Endausbau bis 2010: 430 MWp/Jahr Nanosolar, Inc. - 25 - Fertigungstechnologie Stand η [%] Standort 13,2 Zelle (11,3 Zelle auf Pi) 10,7 Mod. (3716 cm2) Kommerzieller Start 1996, Ende 2007: 40 MWp April Sun One (5 MWp) 100-400 MWp/Jahr
CIS-Module auf isolierenden Substraten Unternehmen Standort Substrat Fertigungstechnologie η [%] Stand Kommerzieller Start Solarion AG Deutschland, Leipzig Polyimidfolie, 20 cm breit R2R, Koverdampfung - 9,5 (1 cm2) 2009 Produktionsvol. > 20MWp Ascent Solar (ITN) Technologies, Inc. USA, Littleton, Colorado Polymerfolie R2R, Koverdampfung, monolithisch verschaltet - - 2008 bis Ende 2007 Aufbau R2R-Pilotlinie mit 0,5-1,5 MWp; 25 MWp geplant, bis 2010/2015 sollen es 100 MWp sein Flisom AG Schweiz, Zürich Polyimidfolie R2R, Koverdampfung Technologietransfer 14,1 (0,595cm2) Spin-Off Unternehmen der ETH Zürich; Weltrekord auf PI Int. Solar Electric Technology, Inc. (ISET) USA, Chatsworth, CA Glas, Folien Chargen, Drucken mit Tinte, Nanopartikel Labor Pilotierung 13,0 Mo-Folie 10,4 PI-Folie 9,6 Stahl-F. 9,5 Ti-Folie (0,08 cm2) Pilot: 2007 Kapaziät Ende 2007: 3 MWp Heliovolt Corporation USA, Austin, Texas Glas, Metall, Polymer, CIGSIntegration in Baustoffe beliebig, field assisted simultan. synthesis and transfer, FASST Produktentwicklung - 2008? direkte, nahtlose Gebäudeintegration, billiger Druckprozess Scheuten Niederlande, Venlo Glaskügelchen 0,2mm, auf Folie Mo sputtern; metallische Precursor (Cu, In) dampfen, mit H2S in Ar sulfurisieren CuInS2 Pilotproduktion 5 (0,06 mm2) 2008? bis zu 1 GWp/Jahr 2012-26 -
Beispiel 1: Global Solar Energy, Tucson, USA (seit 2006 19% SOLON, Berlin) R2R-CIGS Koverdampfung seit 1996 Module auf Edelstahl-Band 30,48 cm Verschaltung: Schindeltechnik + Grid 1.1ft² Quelle: Global Solar Beispiel 2: Erfahrung auf PI, jedoch keine Produktion Märkte: Consumer-Bereich, Militär Kapazität Ende 2007: ca. 40 MWp Miasolé, Santa Clara, USA R2R-Kosputtern, Zylinderkath., vertikal, auch CdS u. NaF wird gesputtert; Selenisierung 5 MWp Pilotlinie, Edelstahl 50 cm Ziel: Bandbreite 1 m; 50 MWp Ziel bis Ende 2010: 1200 MWp Quelle: Miasolé - 27 - Produktionsziel 2007: 71 MWp (nicht erreicht)
Beispiel 3: Odersun AG, Frankfurt/Oder R2R Elektrodeposition auf Cu-Band 1 cm spezielles Verfahren zur Herstellung von CuInS2-Solarzellen direkt auf Cu (ohne Mo) Zellverschaltung durch Schindelung ohne Grid Produktion seit 4/2007 Sun One : 5 MWp Quelle: Odersun Beispiel 4: Solarion AG, Leipzig R2R Niedertemperatur-Koverdampfung auf 20cm Polyimidfolie, Se-Ionenstrahlanregung η = 9,5% (1cm2) demonstriert Märkte: Weltraum- u. terrestr. Anwendungen Produktion: ab 2009, >20 MWp - 28 -
Beispiel 5: Nanosolar, Inc., Palo Alto / Menlo Park, USA R2R auf Al-Folie gedruckt + RTP-Behandlung Tinte mit Cu, In, Ga, Se Nanopartikeln, oxidfrei Keine H2Se-Behandlung u. keine Reduktion notwendig Low-cost Frontelektrode η > 10% (Kleinzelle mit 14,6%) demonstriert Energierückgewinnungszeit (laut Nanosolar): < 1 Monat Fertigungskosten: 30-35 US-Cent /Wp (Roscheisen in Bild der Wissenschaft 2/2007) Produktionsbeginn 2007 Fotos: J. Bernreuter, Bild der Wissenschaft 2/2007-29 -
Flexible Farbstoffsolarzellen ( Grätzel -Zelle) Halbleiterelektrode: nanoporöses TiO2 belegt mit Farbstoffmolekül Elektrolyt Metallgegenelektrode Farbstoff: Ru2+ Komplexe Photolytische Zersetzung Lebensdauer der Zellen: ~ 1 Jahr Flüssigelektrolyt: η = 10-11%. Nach O Reagan, M. Grätzel, Nature 353, 737 (1991) Quelle: W. Jägermann, TU Darmstadt - 30 -
Firmenübersicht Farbstoff- und organische Solarzellen Unternehmen Standort Substrat Fertigungstechnologie η [%] Stand Kommerzieller Start G24 innovations Ltd./ Konarka Technologies, Inc. Großbritannien/ USA; Cardiff (Wales)/Lowell Polymer R2R, TiO2/Farbstoff, Drucken Pilotproduktion -- 2007, 5 MW-Pilot 2 R2R-Linien: 30 MWp, Ziel Ende 2008: 200 MWp Orionsolar Photovoltaics Ltd. Israel Metallfolie Chargen, TiO2/Farbstoff, Siebdruck Labor 7 (1m2) 2008 Peccell Technologies, Inc. Japan, Yokohama, Kanagawa Polyethylennaphthalat (PEN, Polyester) Chargen, TiO2/Farbstoff, Siebdruck oder Rakel Labor 6,2 (0,23cm2) 2008 Sony Deutschland GmbH Deutschland, Stuttgart Polymer --, Polymer-Gel, -- Labor 5,8 (0,25cm2) -- Global Photonic Energy Corp. USA, Ewing Polymer R2R, Chargen, Inline, organischer Halbleiter, nanostrukturiert, Thermische Verdampfung, organische Gasphasen-abscheidung Technologieentwicklung >6 (0,01cm2) -- Quelle: Sonne, Wind und Wärme 12/2006 (J. Bernreuter); Firmenangaben - 31 -
Beispiel: G24 innovations, Cardiff, Wales Erste TiO2-Farbstoff Modulproduktion (seit 2007) Beschichtung im Druckverfahren, dzelle < 1 mm 30 MWp Produktion 4. Quartal 2007 (Plan) Märkte: Consumer-Bereich, tragbare PV (Kleidung), Smart Cards Quelle: G24i, www.g24i.com/pages,manufacturing,11.html - 32 -
Zusammenfassung Zahlreiche innovative Ansätze für flexible Dünnschicht-PV (noch) kein flexibler CdTe-Dünnschichtsolarhersteller Herausforderungen der flexiblen Technologien lösbar Flexible PV-Module volle Nutzung des Dünnschichtsolarzellen-Potenzials - 33 -
Der Autor dankt dem MAT-Team des ZSW Solarion AG (A. Braun) Odersun AG (M. Winkler, K. Penndorf) Flexcell (F. Bichsel) für die Bereitstellung von Informationsmaterial - 34 -