Stand und Perspektiven der Photovoltaikforschung
S.W. Glunz Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
69. Jahrestagung der DPG, 9. März 2005
Stand und Perspektiven der Photovoltaik
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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
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Wachstum der Photovoltaik
30-40% Wachstum
Quelle: Räuber PSE 2005
22 25 23 26 29 34 40 47 55 58 61 73 81 91126
155202
401
596
800
1050
15 17 19 25 32 38 43 49 54 56 61 72 83 114 135 176
535
740
900
288
21
338252
0
200
400
600
800
1.000
1.200
83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04
MWp
� �������������� �������
Schätzung
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Kostenentwicklung (Modulpreis)
• Ziel 1 �/Wp• Verdopplung
kumulierte Leistung entspricht 20% Preisreduktion
Quelle: Räuber PSE 2003���
�
��
���
1 10 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000 10,000,000
Kumulierte Leistung in MWp
$/Wp
F&E
ohne F&E
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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-SiFarbstoff,organ. SZ
Quelle: Luther, Fraunhofer ISE
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Marktentwicklung
Solarzellen aus Wafersilizium dominieren den PV-Markt schon seit geraumer Zeit
Quelle: G. Willeke, Fraunhofer ISE
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Solarzellen aus Siliciumwafern
III/VSi-ribbon mono-Si multi-Si
CuS/CdS
CdTe CIS CVD-Si
mono-Si 1954
a-SiFarbstoff,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 der Nettoenergieerzeugung!
Quelle: Photovoltaics for Decision Makers (Ed. Bubenzer/Luther), Springer Verlag 2003
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Produktion: Aufteilung nach Kontinenten
• Europa gut positioniert, aber massive Konkurrenz aus Japan
• Fa. Sharp (Japan): 198 MWp = 26% der Weltproduktion!
Indien3%
Japan49%
Australien3%
USA14%
Europa27%
Rest von Asien4%
Quelle: Photon International 2004
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Produktionstechnologie
Die Solarzellenfabrik „von heute“:Hochautomatisierte Produktionsstätten ausgerüstet mit speziell für die Photovoltaik entwickelten Geräten.
Quelle: Fraunhofer ISE
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Das Ziel: Kostenreduzierung
Kostenfaktor Silicium
� Reduzierung derWaferdicke
� Erhöhung desWirkungsgrades
Industrie ��= 14 -16%Labor ��> 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 einfachen Solarzelle = 33% (AM1.5)
500 1000 1500 2000 25000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Sonnenspektrum AM 1.5 (Air Mass 1.5)
Leis
tung
sdic
hte
[W/m
2 µm
]
Wellenlänge [nm]
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Welchen Wirkungsgrad kann man überhaupt erreichen?
• Shockley, Queisser (1961):Grenze des Wirkungs-grades einer einfachen Solarzelle = 33% (AM1.5)
• Größter Verlust:Thermalisierung und Nichtabsorption
• Beste Siliciumzelle = 24.7%
• 75% des möglichen Wirkungsgrades! 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-schaden entfernen + reinigen Textur Diffusion
PSG entfernen 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 tief in der Basis erzeugt werden, reicht nicht aus um den „rettenden“ pn-Übergang zu erreichen.
Lösung:Zelle dünner machen
� = 15.7 %
+-
+-
+
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Schritt I: Dünne Zelle (150 µm)
Problemzone 2:Rückseite elektrisch und optisch schlecht� Ladungsträger
rekombinieren an der Rückseite
� Langwelliges Licht wird nicht in der Zelle absorbiert
Lösung:Rückseite verspiegeln und elektrisch passivieren
� = 15.7 %
+
+
-
-
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Schritt II: Dünne Zelle mit optimierter Rückseite
Optimierte Solarzelle mit guten optischen und elektrischen Eigenschaften
� = 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 ideale Rückseite in drei Prozeß-schritten herstellen kann:
1. Passivierung (SiO2, SiN)
2. Metallisierung (Al)
3. Laserfeuern der Punktkontakte
Patent angemeldet
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Laser-Fired Contacts (LFC)
Bester Wirkungsgrad 21.5 %
Aber: Schnell genug?
REM-Aufnahme eines Laser-fired Contacts
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Laserquelle
RotierendeSpiegel
Linse
SiliziumWafer
Pilotliniensystem für LFC am Fraunhofer ISE
Anforderung:weniger als 3 s pro Wafer
LFC Pilotlinien-Lasersystem
Automatisiertes Nd: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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Weltrekordzelle aus multikristallinem Silicium
• Wafer = 99 µm• Wirkungsgrad = 20.3%
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Dünnschichtsolarzellen
III/VSi-ribbon mono-Si multi-Si
CuS/CdS
CdTe CIS CVD-Si
mono-Si 1954
a-SiFarbstoff,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 1000
Wellenlänge (nm)
Qua
nten
effiz
ienz
top cella-Si:H
bottom cellµc-Si:H
• Wirkungsgrade > 10%• Keine Degradation• Kaneka (Japan)
Licht
Glas (1-4mm)
TCO
µµcc--Si:HSi:H
aa--Si:HSi:H� 3µm
ZnOAg
Quelle: Forschungszentrum Jülich
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Dünnschichtsolarzelle: Kristallines Silicium
Hochtemperatur-beständiges Substrat
• Silicium (� = 17%)• Keramik (� =10%)
��������
�������� �� �
������
�����
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Dünnschichtsolarzellen: CIS
• Cu(InGa)Se2
• Hohe Laborwirkungsgrade (19%)• Monolithische Serienverschaltung
Quelle: ZSW, Stuttgart
ZnO:Al 1 µmi-ZnO 0.05 µm
CdS 0.05 µm
CIGS 2 µm
Mo 0.5 µm
Glas 2-3 mmP1 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-SiFarbstoff,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-SiFarbstoff,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
EQ
E [%
]
Wellenlänge [nm]
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Herstellung von Tandem- und Tripelzellen
MOVPE-Technologie
8x4 Zoll Substrate pro EpitaxieAIX 2600 G3
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Konzentratorsolarzellen
Ersetze teuren Halbleiter durch 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 von infraroten 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
Stand und Perspektiven der Photovoltaik
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Zusammenfassung
• 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.
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