Photovoltaik - billiger und leistungsfähiger - Prof. Volker Wittwer Fraunhofer Institut für Solare Energie Systeme ISE www.ise.fraunhofer.de
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Photovoltaik
- billiger und leistungsfähiger
Prof. Volker Wittwer
Fraunhofer Institut
für Solare Energie Systeme ISE
www.ise.fraunhofer.de
Innovationen für Energie und Klimaschutz
Inhalt:
Einführung, Umfeld
Situation im Bereich Photovoltaik
Entwicklungspotentiale
Ausblick
2
Exemplary path, global primary energy
50
geothermal EJ/a TW
other renewables 1400
solar thermal (heat only) 40
solar power (PV
and solar thermal
generation) 1000
30
wind
biomass (advanced)
biomass (traditional) 20
600
hydroelectricity
nuclear power
10
gas 200
coal
0
oil
2000 2020 2040 2100
year
Source: German Advisory Council on Global Change, 2003, www.wbgu.de
3
4
Endenergieverbrauch in EU 25 Ländern
Ziel
Verkehr Verkehr Wärme
31% Wärme 25% 25%
49% t rom
Strom
50%
Strom
20%
2007 2050
5
6
Marktentwicklung u. install. PV-Leistung in D
1.200 4.500
Kummul. install. Leistung [MWp]
4.000
Jährl. neu install. Leistung
1.000
Jährlich neu installierte 3.500
Leistung [MWp/a]
800 3.000
Gesamte installierte
[MWp/a]
Leistung [MWp] 2.500
600
2.000
400 1.500
1.000
200
500
0 0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
Quelle: BMU
78
Photovoltaische Technologien (Gesamt in %)
100
CdTe 80
CIS
60
Ribbon c-Si
a-Si 40
Mono c-Si 20 a-Si
Multi c-Si CdTe
0
1999 2001 2003 2005 2007
nach: Photon 04/2008
910
c-Si PV Module Price Learning Curve (25%/a)
ηcell [%] = 10 15 18 20 22
100
1980
[€/Wp]
1990
10 2000
2004
2010 2020
R&D
1
d [µm] = 400 300 200 100 50
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103
Cumulative Installed Peak Power [GWp]
11Kostenreduktion in der Photovoltaik
Höhere Wirkungsgrade
Weniger Materialverbrauch
Preiswertere Materialien
Optimierte Produktionstechnologien
Neue Konzepte der photovoltaischen
Energiekonversion
12High Efficiency Solar Cell Design
Simulation: Thickness Dependence of Cell Efficiency
22
Improved Light Trapping
21
20
η Improved Surface
19
[%] 18 Passivation
17 Production Cell
16
15
14
Diffusion length = 300 µm
13
0 50 100 150 200 250 300
d [µm]
13Laserprozessierte Rückseitenkontaktsolarzelle aus
Czochralski Silizium für die industrielle Produktion
Antireflexschicht
Voc = 655 mV
Jsc = 40.8 mA/cm2 n-Diffusion
FF = 78.7 % n-Typ Silicium
A = 2x2 cm²
η = 21.0 % p-Diffusion n-Diffusion
p-Kontakt n-Kontakt
14Kostenreduktion in der Photovoltaik
Höhere Wirkungsgrade
Weniger Materialverbrauch
Preiswertere Materialien
Optimierte Produktionstechnologien
Neue Konzepte der photovoltaischen
Energiekonversion
15Höchsteffiziente dünne Laborzelle
aus monokristallinem Silicium
Waferdicke = 42 µm
Wirkungsgrad = 20,2%
16Dünnschichtsolarzellen aus kristallinem Silicium (KSD)
Warum dünnes Silicium?
Wafer >40% der Kosten pro Modul
Wafer
Reduktion des Si-Verbrauchs bis Faktor 500
bei Dünnschicht Technologie
KSD Mit 100.000 t/a Feedstock in 20102 könnten 4000 GWp/a
Si-Dünnschicht Solarzellen3 produziert werden
Vermeidung von energieintensiven Schritten wie Reinigung
und Sägen
2
Si Menge für 1m Zellen
2
Quelle: EPIA. World target 11,3GWp in 2010 @ 9g/Wp
3
Si-Verbrauch f. 1µm: 2,3g/m2 entspricht 0,023 g/Wp @ 10%
17Kostenreduktion in der Photovoltaik
Höhere Wirkungsgrade
Weniger Materialverbrauch
Preiswertere Materialien
Optimierte Produktionstechnologien
Neue Konzepte der photovoltaischen
Energiekonversion
18Silizium Material für die Photovoltaik
Physicochemical
Purification Process
Solar
Grade
Silicon
Quarzite Chemical SiCl 4 SiHCl 3 Thermal
Purification
MG-Si Reaction SiHCl 3 Decomposition
Conversion
Coke HCI SiH2Cl 2 SiH4 CVD
Mod.
EG-
Silicon
PV Silicon AG, 2006
1920
Kostenreduktion in der Photovoltaik
Höhere Wirkungsgrade
Weniger Materialverbrauch
Preiswertere Materialien
Optimierte Produktionstechnologien
Neue Konzepte der photovoltaischen
Energiekonversion
21Ultrathin Crystalline Silicon Wafer Solar Cells
The Laser-fired Back Contact LFC
How to obtain an ideal back
contact in 3 simple low
temperature steps:
1 mm
1. Passivation (SiO2,SiN:H)
2. Metallisation (Al) 1 mm
3. Laser firing of point contacts
Patent pending
Dr. Meyer-Struckmann Science Award 2003 of the
Brandenburg Technical University (BTU) Cottbus
22Kostenreduktion in der Photovoltaik
Höhere Wirkungsgrade
Weniger Materialverbrauch
Preiswertere Materialien
Optimierte Produktionstechnologien
Neue Konzepte der photovoltaischen
Energiekonversion
23Maximaler Wirkungsgrad von Halbleiter-Solarzellen mit einem pn-Übergang
1600
1400
Leistungsdichte [W/m µm]
Nicht genutzte Energie der
2
1200 kurzwelligeren Photonen
W. Shockley,
Genutzte Energie
H.-J. Queisser (1961) 1000
Theoretische Grenze 33% 800
600 Längerwellige Photonen können
keine Ladungsträger generieren
J. Zhao, A. Wang, 400
M.A. Green (1999) 200
Bester Laborwert 24,7% 0
500 1000 1500 2000 2500
Wellenlänge [nm]
24Gestapelte Solarzellen
1600
1400
Leistungsdichte [W/m µm]
1200 AM15
2
GaInP
1000 GaInAs
Ge
800
600
400
200
0
500 1000 1500 2000 2500
Wellenlänge [nm]
25Gestapelte PV Zellen für optische Konzentration,
Beispiel
front contact
ARC cap layer
n -AlInP - w indow layer
+
n-GaInP - emitter
Ga0.65In0.35P GaInP - undoped layer
p-GaInP - base 1.8 eV
p -GaInP - barrier layer
+
p +-AlGaInP - barrier layer
tunnel diode p ++-AlGaAs
n ++-GaAs or GaInP
n +-AlGaInP/AlInAs - barrier layer
n-GaInAs - emitter
Ga0.83In0.17As GaInAs - undoped layer
p-GaInAs - base 1.3 eV
p -GaInAs - barrier layer
+
p+-AlGaInAs - barrier layer
tunnel diode p++-AlGaAs
n ++-GaInAs
n-graded Ga1-xInxAs buffer layer
n- doped window- and nucleation layer
Ge n-Ge diffused emitter
p-Ge substrate (100) 0.7 eV
rear contact
26Weitere Wege zu hohen Effizienzen
Ways to reduce losses /
improve efficiency:
X= multi-junction solar cells
concentrator PV hot carrier effects
impurity band solar cells
up and down conversion
thermophotovoltaics
X thermophotonics
spectral splitting
???
mc-Si Ways to reduce cost:
thin film
III-V cells on silicon
wafer bonding and lift-off
approaches
Ursprüngliche Grafik von M. Green, UNSW
27Kostensenkungspotenziale nach Lernkurventheorie
Anteil am heutigen Stromverbrauch
Prof. Dr. J. Schmid
ISET/ WBGU
28Daten zur Ökonomie der Photovoltaiken
1980 Today 2015 2030 Long term
potential
Typical turn-key system >30 4.5 2.5 1 0.5
price
(2006 €/Wp,
Typical excl. VAT)
electricity >2 0.25 0.15 0.06 0.03
generation costs Southern (competitive (competitive with
Europe with retail wholesale
(2006 €/kWh) electricity) electricity)
Typical commercial module up to up to up to 20% up to 25% up to 40%
efficiencies 8% 16%
(total area)
Typical system energy pay- >10 2 1 0.5 0.25
back time Southern Europe
(yrs)
29Szenario: Entwicklung Erneuerbare Energien
Prof. Dr. J. Schmid
WBGU
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