CIS-Solarzellen Photovoltaik - Seminar Philipp Buchegger 04.07.2007 Gliederung Motivation Geschichte Aufbau, Materialeigenschaften, Dünnschichttechnologie Wirkungsgradentwicklung Serienfertigung Bsp. Würth Solar Kostendruck, Verbesserung der Produktivitätsparameter Wachstum, Leistung, Qualität, ökologischer Druck Ausblick in die Zukunft
Motivation ~50% der Kosten Verkapselung und Modulbau > Geringere direkte Materialkosten Dicke <5µm, vgl. ~200µm bei Silizium CIS ist die effizienteste Dünnschichttechnologie im Vergleich zu a-si/µsi oder CdTe Niedrig(st)e Kosten pro Watt Spitzenleistung Weniger Abfallprodukte Weniger Prozesschritte Unabhängig von Siliziumproduktion Hoher Automatisierungsgrad: Roll-to-roll-Processing Motivation Quelle: Marktplatz PV Anbieterseite Produktion von Solarmodulen
Geschichte 1953 CuInSe2 von Hahn in Stuttgart 1954 Silizium-Gleichrichter liefert beleuchtet mehr Strom 1974 Solarzelle aus Einkristall von Wagner in Bell Labs. 1984 CIS/CdS 10% Wirkungsgrad von Mickelson und Chen, Boeing 1987 14,1% Wirkungsgradrekord 1998 ZSW Modulwirkungsgrad >12% 1998 Erstes CIS-Modul von Siemens Solar 1999 Gründung von Würth Solar Aufbau
Aufbau Monolithische Verschaltung der Zellen: Draufsicht Seitenansicht Materialeigenschaften Cu(In,Ga,Al)(Se,S)2 kristallisiert in Chalkopyritstruktur (Abwandlung der kubischen Zinkblende) Halbleiter der I-III-VI2-Familie haben hohe Lichtabsorption Bandabstand kann von 1,04eV (CuInSe2) bis 2,7eV (CuAlS2) variiert werden Primär Cu(In,Ga)Se2 und CuInS2 von industriellem Interesse
Materialeigenschaften Materialeigenschaften Numerisch berechneter Verlauf von Valenz- und Leitungsbändern
Herstellungsverfahren Kontaktschichten Mo und ZnO: Kathodenzerstäubung (Sputtern): Argonatmosphäre Bei intrinsischem ZnO mit RF-Plasma 5nm/s, bei ZnO:Al mit DC-Plasma 70nm/s Substrattemperatur 20-300 C Gute Widerstandshomogenität: 8,5±0,16Ω (1,9%) MOCVD-Verfahren Metallorganische Gasphasenabscheidung 20-1000hPa => preiswert Abscheidezeit ca. 3 min Große Menge an Fremdatomen
Schutz vor Sputterschäden Pufferschicht CdS (ZnS, ZnSe) Pufferschicht wird bei einer Substrattemperatur von 60 C in einem chemischen Bad auf den Absorber abgeschieden. Zuvor wird die CuS Sekundärphase in einer 10%igen KCN-Lösung entfernt In2S3 Pufferschicht mit ALD (0.5nm/min) Oder mit Sputtern (20nm/min) Herstellungsverfahren CIS-Halbleiterdeposition: Koverdampfung bei erhöhten Beschichtungstemperaturen (ZSW,Global Star) Cu,In,Se,S als Vorläuferschichten mit Druckund galvanischen Verfahren, sowie Kathodenzerstäubung (Avancis-Shell-Verfahren)
Avancis-Shell-Verfahren Strukturierung durch Ritzen oder mit Laser
Dünnschichttechnologie Dünnschichttechnologie
Solarzellenstruktur Wirkungsgradentwicklung
Würth Solar 1988: ZSW will Erkenntnisse der Uni Stuttgart und Ulm der Grundlagenforschung in vermarktungsfähige Anwendungstechnik umsetzen 1994: ZSW-Technikum für CIS-Solarmodule: 130m² Reinraumfläche, 25 Mitarbeiter produzieren 700cm² Module in quasi-industrieller Prozessführung 1997: 10% Wirkungsgrad 1998: >12% Wirkungsgrad Firmengründung Würth Solar: Adolf Würth GmbH 79,5%, EnBW 20% und ZSW 0,5% Würth Solar CISfab in Schwäbisch Hall Investitionssumme 55 Mio. Grundsteinlegung Okt. 2005, Produktionsstart 4.Quartal 2006 Jahreskapazität von 15 Megawatt bzw. 200,000 Module 175 Vollangestellte 500 kwp-installation auf dem Dach
Anwendungsbeispiele: Würth Solar Friedenskirche, Tübingen Rotbäumesfeld, Ludwigsburg - 216 Module - 160 m² Fläche -290 Module - 13kW Nominalleistung -17kWp - 10900 kwh/a - Berücksichtigung des Denkmalschutzes Fassadenintegration ~1400 Module 60*120cm, rahmenlos ~100kWp Netzeinspeisung
Direkter Vergleich Quelle: Würth Solar Semitransparente Module
Kostendruck Preise fallen mittelfristig um 5% pro Jahr => Produktionskosten müssen sinken Dünnschichttechnologie (4µm auf Trägerplatte) Materialsystem tolerant gegenüber Verunreinigungen und Stöchiometrieabweichungen Aus der Architekturbeschichtung bewährte Verfahren => Kostenreduktionspotential Leistungsdruck Begrenzte Fläche CIS-Module haben hohes Potential, da der Wirkungsgrad noch gesteigert werden kann Heute: 13% Modul- und 19% Solarzellwirkungsgrad Langfristig: 18% Modul- und 25% Solarzellwirkungsgrad
Qualitätsdruck Möglichst viel Energie (kwh) Energie = Leistung * Zeit Lange Lebensdauer: Gewährleistung bis zu 20 Jahre Keine Degradation, daher mit SI-Technologie vergleichbar Ökologischer Druck Die zu entwickelnde Technologie soll: keine Ressourcenprobleme mit sich bringen keine Widersprüche zur Kreislaufwirtschaft haben niedrigen Energieaufwand benötigen: Energierücklaufzeit < 1 Jahr recyclebar sein
Ressourcenprobleme Indiumvorrat weltweit: 2400 Tonnen vergesellschaftet in Zink-, Blei-, Zinn- und Kupfererzen Produktionskapazität 300 Tonnen pro Jahr Verbrauch 2005: 850 Tonnen Vorbeugen: Indium-Recyclingprogramm in Japan, USA, Belgien, leider durch die prozentual geringen Mengen sehr aufwändig Zukunft Kosten 1 /Wp Pufferschicht ohne CdS bei selbem Wirkungsgrad 18% Modulwirkungsgrad 1 GWp / a Produktion Polymerfolie als Substrat -> breiteres Anwendungsspektrum
Quellen U.Rau,H.W.Schock: Electronic properties of Cu(In,Ga)Se heterojunction solar cells recent 2 achievements, current understanding, and future challenges Dr. Michael Powalla - CIS-Dünnschichtsolarmodule - Von der Universität zur Solarfabrik Dünnschicht-Photovoltaik: Technologietransfer am ZSW Tobias Enzenhofer: Festkörperreaktionen und Diffusionsprozesse bei der schnellen Bildung von Halbleiterschichten im System Cu-In-S FVS Workshop 2002: Einsatz von Sputter-Zinkoxid als Fensterschicht in CIGSSe- Dünnschichtsolarmodulen Dr. Michael Powalla Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Verbindungshalbleitern Würth Solar / Bernhard Dimmler / presentation Uni Stgt june 06 Joachim Reiß : Generation und Rekombination von Ladungsträgern in CuInS2-basierten Dünnschicht-Solarzellen