Forschung und Entwicklung in der Silizium- Photovoltaik: heute und morgen Dr. Andreas Bett, Prof. Stefan Glunz, Dr. Harry Wirth (ISE) Prof. Rutger Schlatmann, Dr. Bernd Stannowski (HZB) Prof. Rolf Brendel, Dr. Bianca Lim (ISFH) Dr. Kaining Ding (Jülich) FVEE-Jahrestagung, Berlin, 9. November 2017
Solarenergie stellt weltweit Energie nachhaltig bereit! Longyangxia Dam Solar Park 850 MWp China http://www.climatecentral.org/news/china-solar-farm-satellite-21182
Preisentwicklung für Photovoltaikmodule Starke Preissenkungen seit 2010-76% Data: PVXChange
Globale Marktentwicklung für die Photovoltaik: Hervorragend und weiter wachsend YtY >30% Wachstum ~ 1/3 Terrawatt! Data: IHS. Graph: PSE AG 2017
Deutsche Unternehmen decken die gesamte PV- Wertschöpfungskette ab Anlagenbau Singulus Technologies, MANZ, AIXTRON, Schmid Group, Centrotherm, Meyer Burger (Roth & Rau), Somont, Rena, Innolas, Hennecke, Asys, Halm, Material Wacker, Heraeus, PV Crystalox, Solar Silicon, Evonik, Merck, Zelle Modul Silizium: Solarworld, Andere: Azur Space Solar, Oxford PV Silizium: Solarworld, Aleo Solar, Solar Fabrik, AstroEnergy, AEG Solar Solutions; Andere: Avancis, Solibro, Calyxo, Heliatek Leistungselektronik SMA Solar, Kaco new energy, Koastal Solar Electric, Delta Energy Systems, SolarEdge, Systemkomponenten MP-TEC, K2 systems, Mounting systems, Etanco, Lorenz Montagesysteme, Installation / Projektierung Belectric, Conergy, Gehrlicher Solar, IBC Solar, Phoenix Solar, Solarwatt, Solon, Sun Energy Europe, Viessmann, BayWa r.e., Gildemeister energy solutions, Goldbeck solar,
Beschäftigung in Deutschland Inländischer Markt entscheidend für PV-Jobs Data: 1990-2016: BSW-Solar, BNA; 2017-2020: IHS
PV-Bedarf in Deutschland Szenarien zeigen für 2050 Bedarf > 120 GWp #1-80 % CO 2, Ausstieg Kohle nicht beschleunigt #2-80 % CO 2, Ausstieg Kohle beschleunigt #3-85 % CO 2, Ausstieg Kohle beschleunigt #4-90 % CO 2, Ausstieg Kohle beschleunigt
Silizium Photovoltaik R&D: Vergangenheit und Gegenwart Phase 0: R&D Fundamental 1839 ~1990 Phase 1: R&D to approach SQ limit ~1990 - ~ 2016 1839: A. Becquerel: Photovoltaic effect discovered 1954 Bell Labs: First Si solar cell with 6% 1958: First use of Si PV cells in Vanguard I 1961: Shockley- Queisser Limit 1986: 20% mono-si solar cell Better passivation schemes, local passivation, PERx structures 1999: M. Green first 25% Si cell Heterojunction (HIT) solar cells back contact solar cells passivated contacts 2017: Kaneka 26.7% Transfer to industry New production technologies Al-BSF PERC HIT Selective Contacts
Materialentwicklung: Epitaktisch Gewachsener Siliziumwafer (EpiWafer); kerfless Wafering Grundlagen und Industrialisierung Kristalldefekte und elektrische Qualität Hochdurchsatz Prozesse und Anlagen 100 µm Mikroskopbilder (oben) und Lebensdauer (unten) von Wachstumsdefekten. Verbessertes Verständnis für Ursachen und Auswirkungen von Kristalldefekten ProConCVD Anlage (oben) und epitaktischer Wafer (unten). Sukzessive Verbesserung von Prozessen Skalierung der Anlagen abgeschlossen
Heutiger Industriestandard bei PV-Zellen Ganzflächiges Al-BSF, p-dotiertes Silizium Produktionsdaten von Hanwha QCELLS Wirkungsgrad stagniert aufgrund der ganzflächigen Al-BSF Rückseite Fabian Fertig et al Mass Production of p-type Cz Silicon Solar Cells 7 th Silicon PV, Freiburg, Germany, April 3, 2017
Gegenwärtige Innovation in der PV-Industrie Vom Al-BSF zu PERC Ersatz des ganzflächigen Al-BSF durch einen lokalen Kontakt (partial rear contact, PRC) Zwei zusätzliche Prozessschritte dielektrische Passivierung lokale Kontaktöffnung mittels Lasertechnologien (LCO oder LFC)
Bifaziale PERC + Solarzelle mit SmartWire-Verschaltung Busbarlose bifaziale PERC + Solarzelle: 22,1 %* a PERC + Modul mit SmartWire-Verschaltung b : Vorderseite: 19,8 %** Rückseite: 16,4 %** Industrielle Produktion von PERC + Zellen bei SolarWorld sowie Trina, Longi, Neo Solar Power, *Interne Pasan Grid-Touch Messung, Abschattung durch Drähte nicht berücksichtigt **unabhängig gemessen von TÜV Rheinland a T. Dullweber et al., 4 th bifipv Workshop, Konstanz (2017) b T. Dullweber et al., 33 rd EU PVSEC, Amsterdam, Niederlande (2017)
Average cell conversion efficiency [%] FVEE Jahrestagung 2017: Innovationen für die Energiewende PERC Wo ist die Grenze im Wirkungsgrad? Physikalische Grenzen Rekombination an den Kontakten Lateraler Stromfluss 30 28 26 Der nächste Schritt: passivierte Kontakte und n-dotiertes Basismaterial 24 22 20 Al-BSF PERC ~ 20 % ~ 23.5 % 18 2010 2015 2020 2025 2030
R&D für transparente passivierte Kontakte Niedertemperaturprozess 1. Nasschemisch: SiO 2 + 2. Hotwire CVD µc-sic:h(n) Hohe optische Transparenz und guter Kontakt Gute Passivierungseigenschaften auf strukturierter Oberfläche Kein Hochtemperatur Annealing Nutzbar für SHJ Technologie M. Pomaska, et.al..(2015) Thin Solid Films, 595, 217 220. K. Ding, et.al..(2016) Phys. status solidi - RRL, 10 (3), 233 236.
Passivierende Poly-Si-on-Oxide (POLO)- Kontakte Pinhole Letzte Jahrestagung: Laborzelle mit 25,0 % Wirkungsgrad (4 cm 2 Rückkontaktzelle) Diese Jahrestagung: 240 cm 2 siebgedruckte Zelle mit POLO- Kontakten auf beiden Seiten: 22,3 %* Anwendung bei Heterojunction-Zellen Back-End Prozessierung von MeyerBurger *Pasan Grid-Touch Messung bei MeyerBurger R. Peibst et al., 33 rd EU PVSEC, Amsterdam, Niederlande (2017)
TOPCon (tunnel oxide passivated contact) Rekordzellen Material Area V oc J sc FF η [mv] [ma/cm 2 ] [%] [%] n-type Mono 4 cm² (da) 724 42.9 83.1 25.8* n-type Multi 4 cm² (da) 674.2 41.1 80.5 22.3* n-type Mono 100 cm² (ap) 713 41.4 83.1 24.5* Prozess ist auf große Flächen skalierbar F.Feldmann, Evaluation of TOPCon technology on large area solar cells EUPVSEC, Amsterdam, 2017 * confirmed by Fraunhofer ISE Callab
Average cell conversion efficiency [%] FVEE Jahrestagung 2017: Innovationen für die Energiewende Die Grenze für Silizium Solarzellen Shockley, Queisser (1961): Grenze für Si: 33% (AM1.5g) 30 ~ 29 % Verluste durch Thermalisierung und Transmission der Photonen Auger Limit 29.4 % 1 28 26 24 Passivating Contacts BJBC Passivating Contacts PERC ~ 25.0 % ~ 23.5 % ~ 26.0 % 22 20 Al-BSF ~ 20 % 18 2010 2015 2020 2025 2030 Ist das Potenzial der Siliziumtechnologie ausgeschöpft? 1 Richter, Hermle, Glunz, IEEE J. Photovolt. (2013)
Silizium Photovoltaik R&D: die Zukunft beginnt! Phase 0: R&D Fundamental 1839 ~1990 Phase 1: R&D to approach SQ limit ~1990 - ~ 2016 Phase 2: R&D beyond SQ-limit starting ~ 2016 1839: A. Becquerel: Photovoltaic effect discovered 1954 Bell Labs: First Si solar cell with 6% 1958: First use of Si PV cells in Vanguard I Better passivation schemes, local passivation, PERx structures 1999: M. Green first 25% Si cell Heterojunction (HIT) solar cells back contact solar cells passivated contacts 2017: Kaneka 26.7% Technologies for highest efficiency III-V on Si Perovskite on Si Thin-film III-V-based multijunction Improve sustainability 1961: Shockley- Queisser Limit 1986: 20% mono-si solar cell Transfer to industry New production technologies Al-BSF PERC HIT Selective Contacts
Intensity [W m -2 nm -1 ] FVEE Jahrestagung 2017: Innovationen für die Energiewende Zukunft Jenseits der Einfach-Solarzellen Lichtmanagement Up-conversion Down-conversion Mehrfach-Solarzellen auf Silizium Perowskit Oberzelle III/V Oberzellen 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 AM1.5 1. Cell 2. Cell 3. Cell (Si) 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Wavelength [nm]
Perowskit-basierte Mehrfach-Solarzellen Silizium-Heterojunction (SHJ) Solarzellen @ 22,5 % (zertifiziert) Erste monolithische Perovskite/SHJ Tandemsolarzelle: 19,9 % In Kooperation mit: SEM cross section Albrecht, Saliba et al., En. Env. Science (2015) Aktueller Weltrekord für monolithische Perowskit/Si Tandemsolarzelle: 23,6 % Bush, McGehee et al., Nat. Energy (2017)
III-V-basierende monolithische Mehrfachzellen auf Silizium durch Surface Activated Wafer Bonding Prozessfluss
Ergebnisse für monolithische III-V//Si Solarzellen 2-Terminal Wirkungsgrad: 33,3% Weltrekord Wirkungsgrad V oc [V] Gen 1 J sc [ma/cm 2 ] FF [%] η [%] 3.046 11.7 87.5 31.3 Gen 2 3.125 11.6 86.5 31.4 Gen 3 3.127 12.7 83.8 33.3
Gestapelte III-V-basierende und Si Mehrfachzellen 4-Terminal Bottom-Zelltyp: 25,0 % POLO-Junction (ISFH) Top-Zelltyp: 29,9 % GaInP/GaAs (NREL) GaInP GaAs Tandem Wirkungsgrad 35,4 %* *4-Terminal-Messung, unabh. bestätigt NREL-Kalibrierlabor Glas Epoxy Si Wafer p + poly-si n + poly-si M. Rienäcker et al., 33 rd EU PVSEC, Amsterdam, Niederlande (2017)
Average cell conversion efficiency [%] FVEE Jahrestagung 2017: Innovationen für die Energiewende Jenseits des Shockley Queisser Limits: Mehrfachsolarzellen mit Silizium als Unterzelle Silizium-basierte Mehrfachzellen erreichen leicht Wirkungsgrade jenseits von 30 %. Die Herstellungskosten müssen gesenkt werden. 30 28 26 24 22 Silicon based Tandem cells Passivating Contacts BJBC Passivating Contacts PERC ~ 25.0 % ~ 23.5 % ~ 26.0 % ~ 29 % Forschung ist die Essenz, um die Lernkurve fortschreiben zu können 20 18 Al-BSF ~ 20 % 2010 2015 2020 2025 2030
Investition in die PV-Zukunft: Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen Gesamtkosten: 32.6 Mio Gesamtfläche: ~ 5000 m² Reinraum 740 m², Laborfläche 340 m² Büro/Seminarraumfläche 620 m² Technik 1600 m² Lager, Erschließung 1700 m² Si und III/V-Technologie in neuen Reinräumen und Laboren
Aktuelle Forschungsaufgaben für Module und Kraftwerke Zellverbindung multi-wire und Schindeln für mehr Effizienz leitfähiges Kleben für Hocheffizienz- Zellen und bleifreie Produkte Moduldesign bifaziale Ausführung für mehr Ertrag flexible Formate und Ästhetik für BIPV robuste Ausführung für erhöhte Klimalasten und Betriebsspannungen Modulzuverlässigkeit beschleunigte Qualifizierungsprüfungen
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE Dr. Andreas Bett www.ise.fraunhofer.de andreas.bett@ise.fraunhofer.de