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Stand und Perspektiven derPhotovoltaik für die Stromerzeugung
S.W. GlunzFraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
Frühjahrssitzung des AKE, April 2004
Stand und Perspektiven der Photovoltaik
S. W. Glunz, AKE_2004_Glunz.ppt Page 2
Übersicht
• 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
Stand und Perspektiven der Photovoltaik
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Evolution photovoltaischer Technologien,Beispiele
III/VSi-ribbon mono-Si multi-Si
CuS/CdS
CdTe CIS CVD-Si
mono-Si 1954
a-Si Farbstoff,organ. SZ
Quelle: Luther, Fraunhofer ISE
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Marktentwicklung
Quelle: G. Willeke, Fraunhofer ISE
Solarzellen ausWafersiliziumdominieren denPV-Markt schon seitgeraumer Zeit
Einkristall-Silicium
Amorphes Silicium
Blockguss-Silicium
Band-Silicium
1990
2000
1980
300 MWp / a
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Solarzellen aus Siliciumwafern
III/VSi-ribbon mono-Si multi-Si
CuS/CdS
CdTe CIS CVD-Si
mono-Si 1954
a-Si Farbstoff,organ. SZ
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Siliciumsolarzellen: Herstellungsprozess
ModulSolarzelleWafer(Scheibe)
Silizium
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Energy Payback
NELT = Net Energy Life Time25 Jahre (Lebensdauer des Systems)
- 3 Jahre (Energy Payback Time, mc-Si in unseren Breitengraden) = 22 Jahre (NELT)
⇒ Ca. 90 % der Lebenszeit eines Photovoltaikmodules dienen derNettoenergieerzeugung!
Quelle: Photovoltaics for Decision Makers (Ed. Bubenzer/Luther), Springer Verlag 2003
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Produktion: Aufteilung nach Kontinenten
• Europa gut positioniert,aber massiveKonkurrenz aus Japan
• Fa. Sharp (Japan):198 MWp = 26% derWeltproduktion!
Indien3%
Japan49%
Australien3%
USA14%
Europa27%
Rest von Asien4%
Quelle: Photon International 2004
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Produktionstechnologie
Die Solarzellenfabrik„von heute“:HochautomatisierteProduktionsstättenausgerüstet mit speziellfür die Photovoltaikentwickelten Geräten.
Quelle: Deutsche Cell, Freiberg
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Produktionstechnologie
Die Solarzellenfabrik„von heute“:HochautomatisierteProduktionsstättenausgerüstet mit speziellfür die Photovoltaikentwickelten Geräten.
Quelle: Fraunhofer ISE
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Das Ziel: Kostenreduzierung
Kostenfaktor Silicium
⇒ Reduzierung derWaferdicke
⇒ Erhöhung desWirkungsgrades
Industrie η = 14 -16%Labor η > 20%
40 %
Modulproduktion
Solarzellen-technologie
Wafer
20 %40 %
20%40%
40%
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Welchen Wirkungsgrad kann man überhaupt erreichen?
• Shockley, Queisser (1961):Grenze des Wirkungs-grades einer einfachenSolarzelle = 33% (AM1.5)
• Größter Verlust:Thermalisierung undNichtabsorption
• Beste Siliciumzelle =24.7%
• 75% des möglichenWirkungsgrades! 500 1000 1500 2000 2500
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Längerwellige Photonen können keine Ladungsträger generieren
Optimale Wellenlänge
Genutzte Energie
Nicht genutzte Energie der kurzwelligeren Photonen
Leis
tung
sdic
hte
[W/m
2 µm]
Wellenlänge [nm]
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Zelltechnologie - Stand der Technik
, Finger)
Säge-schadenentfernen+ reinigen Textur Diffusion
PSGentfernen ARC Siebdruck IsolationFeuern
Herstellungsprozess
n-Emitter
ARC
p-Basis
Kontakt
Kontakt
pn-Übergang
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Stand der Dinge: 300 µm dicke Industriezelle
Problemzone 1:Materialqualität zu gering⇒ Diffusionslänge von
Ladungsträgern, die tiefin der Basis erzeugtwerden, reicht nicht ausum den „rettenden“ pn-Übergang zu erreichen.
Lösung:Zelle dünner machen
η = 15.7 %
+-
+-
+
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Schritt I: Dünne Zelle (150 µm)
Problemzone 2:Rückseite elektrisch undoptisch schlecht⇒ Ladungsträger
rekombinieren an derRückseite
⇒ Langwelliges Licht wirdnicht in der Zelleabsorbiert
Lösung:Rückseite verspiegeln undelektrisch passivieren
η = 15.7 %
+
+
-
-
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Schritt II: Dünne Zelle mit optimierter Rückseite
Optimierte Solarzelle mitguten optischen undelektrischen Eigenschaften
η = 19.8 %
-- +
+Passivierungs-schicht
ReduzierteKontaktfläche
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Problem: Aufwendige Herstellung
Thermische Oxidation
Photolack aufbringen
Photolack belichten
Entwickeln
Oxid ätzen
Photolack entfernen
Al aufdampfen
Prozeßfolge im Labor:
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Laser-Fired Contacts (LFC)Wie man eine idealeRückseite in drei Prozeß-schritten herstellen kann:
1. Passivierung (SiO2, SiN)
2. Metallisierung (Al)
3. Laserfeuern derPunktkontakte
Patent angemeldet
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Laser-Fired Contacts (LFC)
Bester Wirkungsgrad21.5 %
Aber: Schnell genug?
REM-Aufnahme eines Laser-fired Contacts
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Laserquelle
RotierendeSpiegel
Linse
SiliziumWafer
Pilotliniensystem für LFCam Fraunhofer ISE
Anforderung:weniger als3 s pro Wafer
LFC Pilotlinien-Lasersystem
AutomatisiertesNd:YAG Lasersystemmit Scanner-Kopf
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Dünne und flexible Si-Solarzellen (LFC-Technologie)
• Wafer = 42 µm• Wirkungsgrad = 20.2%
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Dünnschichtsolarzellen
III/VSi-ribbon mono-Si multi-Si
CuS/CdS
CdTe CIS CVD-Si
mono-Si 1954
a-Si Farbstoff,organ. SZ
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Dünnschichtsolarzellen: Amorphes Silizium
• Interessant für Gebäude-integration
• Einfache Technologie,aber geringer Wirkungs-grad (5 %)
Gebäudeintegrierte a-Si Technik: Stillwell Avenue Terminal, New Yorkca. 5000 m², Quelle: RWE SCHOTT Solar
1 µm
a-Si
Ag
TCO
Quelle: Forschungszentrum Jülich
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Dünnschichtsolarzellen: Amorphes + mikrokrist. Silicium
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
300 400 500 600 700 800 900 1000Wellenlänge (nm)
Qua
nten
effiz
ienz
top cella-Si:H
bottom cellµc-Si:H
• Wirkungsgrade > 10%• Keine Degradation• Kaneka (Japan)
Licht
Glas (1-4mm)
TCO
µc-µc-SiSi:H:H
a-a-SiSi:H:H∼ 3µm
ZnOAg
Quelle: Forschungszentrum Jülich
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Dünnschichtsolarzelle: Kristallines Silicium
Hochtemperatur-beständiges Substrat• Silicium (η = 17%)• Keramik (η =10%)
Substrat
Siliziumschicht
500 µm
25 µm
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Dünnschichtsolarzellen: CIS
• Cu(InGa)Se2
• Hohe Laborwirkungsgrade (19%)• Monolithische Serienverschaltung
Quelle: ZSW, Stuttgart
ZnO:Ali-ZnOCdS
CIGS
Mo
GlasP1 P2 P3 P1 P2 P3
monolithischer Kontakt
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Dünnschichtsolarzellen: CIS
Serienfertigung
Quelle: Würth Solar
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Alternative Materialien
III/VSi-ribbon mono-Si multi-Si
CuS/CdS
CdTe CIS CVD-Si
mono-Si 1954
a-Si Farbstoff,organ. SZ
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Alternative Materialien: Farbstoffsolarzellen
• Wirkungsgrade bis 10%• Neue Anwendungsfelder
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Alternative Materialien: Organische Solarzellen
Wirkungsgrade bis 5%
Polymerblend:PCBM: C60-MolekülPPV: Konjugiertes Polymer
GlasITO
PPV:PCBM
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III-V Solarzellen und neue Konzepte
III/VSi-ribbon mono-Si multi-Si
CuS/CdS
CdTe CIS CVD-Si
mono-Si 1954
a-Si Farbstoff,organ. SZ
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Jenseits des Shockley-Queisser Limits
“Überwindung” des Shockley-Queisser-Limits (33%)
Spektral bedingte Verluste• Thermalisierungsverluste• Nichtabsorption
500 1000 1500 2000 25000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Längerwellige Photonen können keine Ladungsträger generieren
Optimale Wellenlänge
Genutzte Energie
Nicht genutzte Energie der kurzwelligeren Photonen
Leis
tung
sdic
hte
[W/m
2 µm]
Wellenlänge [nm]
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Jenseits des Shockley-Queisser Limits
“Überwindung” des Shockley-Queisser-Limits (33%)
Spektral bedingte Verluste• Thermalisierungsverluste• Nichtabsorption
⇒Tandemzellen 45.3%Tripelzellen 51.2%Quadrupelzellen 54.9%...
500 1000 1500 2000 25000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Lei
stun
gsdi
chte
[W/m
2 µm]
AM15 GaInP GaInAs Ge
Wellenlänge [nm]
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Tripelsolarzellen aus III-V Halbleitern
Hohe Wirkungsgrade > 30%Beste Tripelzelle 36.9%
aktives Ge
Ga0.97In0.03As
Ga0.51In0.49P
400 600 800 1000 1200 1400 1600 18000
20
40
60
80
1001277-4-10-trip
EQE
[%]
Wellenlänge [nm]
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Herstellung von Tandem- und TripelzellenMOVPE-Technologie
8x4 Zoll Substrate pro EpitaxieAIX 2600 G3
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Konzentratorsolarzellen
Ersetze teuren Halbleiterdurch billige Optik!
Sonne
Konzentrator
Solarzelle 30 % Elektrische Energie
Passive Kühlung
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Konzentratorkraftwerke
HoheModulwirkungs-grade (22.7 %)
Quelle: Amonix, USAQuelle: Fraunhofer ISE
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Up-conversion
Hochkonversion voninfraroten Photonen• Solarzellenstruktur kann
bestehen bleiben• Suche nach idealen
Up-convertern• Hohes Wirkungsgrad-
potential(47.6% bei unkonz.Sonnenlicht,63.17% bei max.Konzentration)
Spiegel
Up-converterSolarzelle
Nach: Truppke und Würfel
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Heiße Ladungsträger
Vermeidung derThermalisierungsverluste• Energieselektive
Kontakte• Hohes
Wirkungsgradpotential(85% bei max.Konzentration)
-
+
Eg
x
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Zusammenfassung
• Die Photovoltaik ist den Kinderschuhen entwachsen und einernstzunehmender 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 ferneZukunft.
• Deutschland ist einer der wichtigsten Technologie- und Wissensstandorte