Stand und Perspektiven der Photovoltaikforschung S.W. Glunz Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme 69. Jahrestagung der DPG, 9. März 2005
Übersicht Grundsätzliches Das Spektrum der Photovoltaik Das Arbeitspferd: Die Siliciumsolarzelle Ein Hauch von Photovoltaik: Dünnschichtsolarzellen Halbleiter ade: Organische und Farbstoffsolarzellen Jenseits der Shockley-Queisser Grenze: Tandemsolarzellen und neue Konzepte S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 2
Wachstum der Photovoltaik Stand und Perspektiven der Photovoltaik 30-40% Wachstum 1.200 MW p Schätzung 1050 1.000 800 800 600 596 Quelle: Räuber PSE 2005 400 200 0 22 25 23 26 29 34 40 47 55 58 61 73 81 91 15 17 19 21 25 32 38 43 49 54 56 61 72 83 288 202 126 155 176 114 135 252 401 900 740 535 338 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 'U$5lXEHU36( S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 3
Kostenentwicklung (Modulpreis) Stand und Perspektiven der Photovoltaik Ziel 1 ¼/Wp Verdopplung kumulierte Leistung entspricht 20% Preisreduktion $/Wp F&E ohne F&E Quelle: Räuber PSE 2003 1 10 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000 10,000,000 Kumulierte Leistung in MW p S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 4
Evolution photovoltaischer Technologien, Beispiele Si-ribbon mono-si multi-si a-si CdTe CIS CVD-Si Farbstoff, organ. SZ III/V CuS/CdS mono-si 1954 Quelle: Luther, Fraunhofer ISE S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 5
Marktentwicklung Solarzellen aus Wafersilizium dominieren den PV-Markt schon seit geraumer Zeit Quelle: G. Willeke, Fraunhofer ISE S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 6
Solarzellen aus Siliciumwafern Stand und Perspektiven der Photovoltaik Si-ribbon mono-si multi-si a-si CdTe CIS CVD-Si Farbstoff, organ. SZ III/V CuS/CdS mono-si 1954 S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 7
Siliciumsolarzellen: Herstellungsprozess Silizium Wafer (Scheibe) Solarzelle Modul S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 8
Energy Payback NELT = Net Energy Life Time 25 Jahre (Lebensdauer des Systems) - 3 Jahre (Energy Payback Time, mc-si in unseren Breitengraden) = 22 Jahre (NELT) Ÿ Ca. 90 % der Lebenszeit eines Photovoltaikmodules dienen der Nettoenergieerzeugung! Quelle: Photovoltaics for Decision Makers (Ed. Bubenzer/Luther), Springer Verlag 2003 S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 9
Produktion: Aufteilung nach Kontinenten Europa gut positioniert, aber massive Konkurrenz aus Japan Fa. Sharp (Japan): 198 MWp = 26% der Weltproduktion! Europa 27% Rest von Asien 4% Indien 3% Japan 49% Quelle: Photon International 2004 USA 14% Australien 3% S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 10
Produktionstechnologie Die Solarzellenfabrik von heute : Hochautomatisierte Produktionsstätten ausgerüstet mit speziell für die Photovoltaik entwickelten Geräten. Stand und Perspektiven der Photovoltaik Quelle: Fraunhofer ISE S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 11
Das Ziel: Kostenreduzierung Stand und Perspektiven der Photovoltaik Kostenfaktor Silicium Modulproduktion Ÿ Reduzierung der Waferdicke Ÿ Erhöhung des Wirkungsgrades 20 % 40% 40 % 40 % 20% Solarzellentechnologie 40% Industrie K= 14-16% Labor K> 20% Wafer S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 12
Welchen Wirkungsgrad kann man überhaupt erreichen? Shockley, Queisser (1961): Grenze des Wirkungsgrades einer einfachen Solarzelle = 33% (AM1.5) Leistungsdichte [W/m 2 µm] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Sonnenspektrum AM 1.5 (Air Mass 1.5) 500 1000 1500 2000 2500 Wellenlänge [nm] S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 13
Welchen Wirkungsgrad kann man überhaupt erreichen? Shockley, Queisser (1961): Grenze des Wirkungsgrades einer einfachen Solarzelle = 33% (AM1.5) Größter Verlust: Thermalisierung und Nichtabsorption Beste Siliciumzelle = 24.7% 75% des möglichen Leistungsdichte [W/m 2 µm] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Nicht genutzte Energie der kurzwelligeren Photonen Genutzte Energie Optimale Wellenlänge Längerwellige Photonen können keine Ladungsträger generieren Wirkungsgrades! 0 500 1000 1500 2000 2500 Wellenlänge [nm] S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 14
Zelltechnologie - Stand der Technik Kontakt ARC n-emitter pn- Übergang p-basis Kontakt Herstellungsprozess Sägeschaden entfernen + reinigen Textur Diffusion PSG, Finger) entfernen ARC Siebdruck Feuern Isolation S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 15
Stand der Dinge: 300 µm dicke Industriezelle Problemzone 1: K = 15.7 % Materialqualität zu gering Ÿ Diffusionslänge von Ladungsträgern, die tief in der Basis erzeugt werden, reicht nicht aus um den rettenden pn- Übergang zu erreichen. - + + Lösung: Zelle dünner machen - + S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 16
Schritt I: Dünne Zelle (150 µm) Problemzone 2: Rückseite elektrisch und optisch schlecht Ÿ Ladungsträger rekombinieren an der Rückseite Ÿ Langwelliges Licht wird nicht in der Zelle absorbiert Lösung: Rückseite verspiegeln und elektrisch passivieren Stand und Perspektiven der Photovoltaik K = 15.7 % S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 17 - + - +
Schritt II: Dünne Zelle mit optimierter Rückseite K = 19.8 % Optimierte Solarzelle mit guten optischen und elektrischen Eigenschaften Passivierungsschicht - + - + Reduzierte Kontaktfläche S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 18
Problem: Aufwendige Herstellung Prozeßfolge im Labor: Thermische Oxidation Photolack aufbringen Photolack belichten Entwickeln Oxid ätzen Photolack entfernen Al aufdampfen S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 19
Laser-Fired Contacts (LFC) Wie man eine ideale Rückseite in drei Prozeßschritten herstellen kann: Stand und Perspektiven der Photovoltaik 1. Passivierung (SiO 2, SiN) 2. Metallisierung (Al) 3. Laserfeuern der Punktkontakte Patent angemeldet S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 20
Laser-Fired Contacts (LFC) Stand und Perspektiven der Photovoltaik Bester Wirkungsgrad 21.5 % Aber: Schnell genug? REM-Aufnahme eines Laser-fired Contacts S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 21
LFC Pilotlinien-Lasersystem Laserquelle Pilotliniensystem für LFC am Fraunhofer ISE Anforderung: weniger als 3 s pro Wafer Rotierende Spiegel Automatisiertes Nd:YAG Lasersystem mit Scanner-Kopf Linse Silizium Wafer S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 22
Dünne und flexible Si-Solarzellen (LFC-Technologie) Wafer = 42 µm Wirkungsgrad = 20.2% S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 23
Weltrekordzelle aus multikristallinem Silicium Wafer = 99 µm Wirkungsgrad = 20.3% S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 24
Dünnschichtsolarzellen Stand und Perspektiven der Photovoltaik Si-ribbon mono-si multi-si a-si CdTe CIS CVD-Si Farbstoff, organ. SZ III/V CuS/CdS mono-si 1954 S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 25
Dünnschichtsolarzellen: Amorphes Silizium Interessant für Gebäudeintegration Einfache Technologie, aber geringer Wirkungsgrad (5 %) 1 µm TCO a-si Ag Quelle: Forschungszentrum Jülich Gebäudeintegrierte a-si Technik: Stillwell Avenue Terminal, New York ca. 5000 m², Quelle: RWE SCHOTT Solar S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 26
Dünnschichtsolarzellen: Amorphes + mikrokrist. Silicium Wirkungsgrade > 10% Keine Degradation Kaneka (Japan) 1 Licht Glas (1-4mm) Quanteneffizienz 0,8 0,6 0,4 0,2 top cell a-si:h bottom cell µc-si:h TCO a-si:h µc-si:h a 3µm 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 Wellenlänge (nm) S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 27 ZnO Ag Quelle: Forschungszentrum Jülich
Dünnschichtsolarzelle: Kristallines Silicium Hochtemperaturbeständiges Substrat Silicium (K = 17%) Keramik (K =10%) 6LOL]LXPVFKLFKW P 6XEVWUDW P S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 28
Dünnschichtsolarzellen: CIS Stand und Perspektiven der Photovoltaik Cu(InGa)Se 2 Hohe Laborwirkungsgrade (19%) Monolithische Serienverschaltung ZnO:Al 1 µm i-zno 0.05 µm CdS 0.05 µm CIGS 2 µm Mo 0.5 µm P1 P2 P3 P1 P2 P3 Glas 2-3 mm monolithischer Kontakt Quelle: ZSW, Stuttgart S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 29
Dünnschichtsolarzellen: CIS Serienfertigung Stand und Perspektiven der Photovoltaik Quelle: Würth Solar S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 30
Alternative Materialien Stand und Perspektiven der Photovoltaik Si-ribbon mono-si multi-si a-si CdTe CIS CVD-Si Farbstoff, organ. SZ III/V CuS/CdS mono-si 1954 S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 31
Alternative Materialien: Farbstoffsolarzellen Wirkungsgrade bis 10% Neue Anwendungsfelder S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 32
Alternative Materialien: Organische Solarzellen Wirkungsgrade bis 5% Polymerblend: PCBM: C60-Molekül PPV: Konjugiertes Polymer PPV:PCBM ITO Glas S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 33
III-V Solarzellen und neue Konzepte Si-ribbon mono-si multi-si a-si CdTe CIS CVD-Si Farbstoff, organ. SZ III/V CuS/CdS mono-si 1954 S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 34
Jenseits des Shockley-Queisser Limits Überwindung des Shockley- Queisser-Limits (33%) Spektral bedingte Verluste Thermalisierungsverluste Nichtabsorption Leistungsdichte [W/m 2 µm] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Nicht genutzte Energie der kurzwelligeren Photonen Genutzte Energie Optimale Wellenlänge Längerwellige Photonen können keine Ladungsträger generieren 0 500 1000 1500 2000 2500 Wellenlänge [nm] S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 35
Jenseits des Shockley-Queisser Limits Überwindung des Shockley- Queisser-Limits (33%) Spektral bedingte Verluste Thermalisierungsverluste Nichtabsorption ŸTandemzellen 45.3% Tripelzellen 51.2% Quadrupelzellen 54.9%... Leistungsdichte [W/m 2 µm] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 AM15 GaInP GaInAs Ge 500 1000 1500 2000 2500 Wellenlänge [nm] S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 36
Tripelsolarzellen aus III-V Halbleitern Hohe Wirkungsgrade > 30% Beste Tripelzelle 36.9% 100 80 1277-4-10-trip Ga 0.51 In 0.49 P Ga 0.97 In 0.03 As EQE [%] 60 40 20 aktives Ge 0 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Wellenlänge [nm] S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 37
Herstellung von Tandem- und Tripelzellen MOVPE-Technologie AIX 2600 G3 8x4 Zoll Substrate pro Epitaxie S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 38
Konzentratorsolarzellen Stand und Perspektiven der Photovoltaik Ersetze teuren Halbleiter durch billige Optik! Sonne Konzentrator Solarzelle 30 % Elektrische Energie Passive Kühlung S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 39
Konzentratorkraftwerke Hohe Modulwirkungsgrade (22.7 %) Stand und Perspektiven der Photovoltaik Quelle: Fraunhofer ISE Quelle: Amonix, USA S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 40
Up-conversion Hochkonversion von infraroten Photonen Solarzellenstruktur kann bestehen bleiben Suche nach idealen Up-convertern Hohes Wirkungsgradpotential (47.6% bei unkonz. Sonnenlicht, 63.17% bei max. Konzentration) Solarzelle Up-converter Spiegel Nach: Truppke und Würfel S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 41
Zusammenfassung Stand und Perspektiven der Photovoltaik Die Photovoltaik ist den Kinderschuhen entwachsen und ein ernstzunehmender Industriezweig Sehr hohe Wachstumsraten (stetig!) Trotz momentan sehr kleinem Beitrag zum Energiemarkt ist sie die regenerative Energieform mit dem größten Potential Obwohl Silizium auch in den nächsten Dekaden den größten Marktanteil ausmachen wird, gibt es viele interessante Optionen für die mittlere und ferne Zukunft. Deutschland ist einer der wichtigsten Technologie- und Wissensstandorte. S. W. Glunz, DPG_2005_Glunz.ppt Page 42