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Copyright ISFH, June 29 th, 2012 1 Symposium Erneuerbare Energien zur Feier des 25-jährigen Bestehens des Instituts für Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal.

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1 Copyright ISFH, June 29 th, Symposium Erneuerbare Energien zur Feier des 25-jährigen Bestehens des Instituts für Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal Photovoltaik mit kristallinem Silizium Rolf Brendel Institut für Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal (ISFH) & Institut für Festkörperphysik Leibniz Universität Hannover Mini-module of back-contacted c-Si cells with integrated connection

2 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Erste kristalline Siliziumsolarzelle (1954) Quelle: The Silicon Solar Cell Turns 50, John Perlin, NREL Report No. BR Diffundierter pn-Übergang n-Typ Rückkontaktzelle Wirkungsgrad 6 % D. M. Chapin, C. S. Fuller G. L. Pearson, J. Appl. Phys (1954).

3 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Silizium, ein ideales Material Institut für Solarenergieforschung Hameln 3

4 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Silizium gibt es wie Sand am Meer Datenquelle: F. K. Lutgens and E. J. Tarbuck, Essentials of Geology, (Prentice Hall, 2000).

5 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Bis zu ca. 30 % Wirkungsgrad Günstige Bandlücke Annahme: nur strahlende Rekombination Wirkungsgradgrenze für c-Si ist 29% 5 Silizium hat günstige Bandlücke (1961) W. Shockley and H. J. Queisser, J. Appl. Phys. 32, 510 (1961) Si

6 Copyright ISFH, June 29 th, Hoher Brechungsindex, sehr gute Beweglichkeit Brechungsindex von Lichtwegverlängerung: Filmdicke Hervorragende Beweglichkeit : * E. Yablonovitch and G. D. Cody, IEEE Trans. Electron Dev. ED-29, (1982)E. Yablonovitch and G. D. Cody, IEEE Trans. Electron Dev. ED-29, (1982)

7 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Wertschöpfungskette (Source: W. Hoffmann, Renewables in a Nutshell, Lecture held at LUH, Oct. 2011)

8 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Siliziumverbrauch durch dicke Wafer und Sägeverluste Photo: SolarWorld AG Photo: delo Sägeverlust µm Waferdicke µm

9 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Standard Si-Zelle mit homogener Rückseite Wirkungsgrad mono-Si: 18,5 % Wirkungsgrad multi-Si 16 bis 17 % Waferdicke180 µm + _

10 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Marktentwicklung und Kosten Institut für Solarenergieforschung Hameln 10

11 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Exponentielles Wachstum von 50% pro Jahr 11 Schnelles Wachstum der weltweiten Produktion Kristallines Si immer > 85% Marktanteil Data source: Photon 4/2012, p.43

12 Copyright ISFH, June 29 th, Photovoltaik: macht Energiewende erlebbar 1,9 kW p -Kleinanlage auf der Garage (heute 5000 ): 35 % des Verbrauches real durch PV-Anlage gedeckt im Mai % bilanziell durch PV-Anlage gedeckt im Mai 2012 Erzeugung nah am Verbrauch Risikoarm Keine Beeinträchtigung des Landschaftsbildes Starke Unterstützung in der Bevölkerung

13 Copyright ISFH, June 29 th, Netzeinspeisung im Mai GW PV in D installiert PV-Strom deckt Mittagsspitzen bedarfsgerecht Am wurden 22 GW Solarstrom eingespeist (=1/3 Maximallast) 12,9 % Solar, 8,6 % Wind und 79,1 % Großkraft DC-Anteil der Großkraft: 22 GW Datenquelle: EEX,

14 Copyright ISFH, June 29 th, Preisentwicklung für c-Si PV-Module: Derzeit keine nachhaltigen Preise Average spot price 0.85 US$/W = 0.65 /W for May 2 nd Beitrag der Module zum Strompreis ohne Kapitalkosten: 0,10 /kWh ISFH-Gründung

15 Copyright ISFH, June 29 th, Schätzung der EEG-Umlage Zubau ab GW/a3 GW/aÄnderung Ausbau in GW52 GW+ 108 % Kumulierte Kosten136 G166 G+ 22 % Max. PV Umlage1,6 ct/kWh2,0 ct/kWh+ 25 % Max. Anteil am Kleinabnehmerpreis 6,4 %6,3% 3 GW/a for 2012 to GW/a from 2012 on Annahmen:Konventioneller Strompreis: +4%/a Vergütung 10%/a, Mittlere Vergütung 2012 ist 19,5 ct/kWh

16 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Kosten pro Fläche sind entscheidend Materialien dominieren die Kosten Weniger Si und Ag! Keine Kristallisation Kein Sägen 16 Modulkosten Quelle: International TechnologyInternational Technology Roadmap for Photovoltaics (ITRPV) Results 2011 Results 2011 und eigene Daten Crystalliz. Wafering Cell Module Consumables Equipment Labor Energy (non-Si)

17 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Aus der ISFH-Forschung Institut für Solarenergieforschung Hameln 17

18 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Standard BSF- and PERC cells Full-area Al-BSF Cell PERC cell* R rear 18 * A. W. Blakers et al., APL 55, 1363 (1989)A. W. Blakers et al., APL 55, 1363 (1989) + _

19 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Laser open a new dimension of processing: Contact openings Structuring Si Drilling Si Welding interconnections Deposition 19 Enabling process: Laser contact opening (LCO) P. Engelhart, S. Hermann, T. Neubere, H. Plagwitz, R. Grischke, R. Meyd, U. Klug, A. Schoonderbeek, U. Stute, and R. Brendel,, Progress in Photovoltaics 15, (2007).

20 Copyright ISFH, June 29 th, Enabling process: Surface passivation by Al 2 O 3 Al 2 O 3 for surface passivation of solar cells Atomic layer deposition (ALD) technique yields high quality passivation Excellent firing stability for spatial ALD: S eff < 20 cm/s after firing 20 J. Schmidt, B. Veith, and R. Brendel, Phys. Status Solidi RRL 3, (2009) B. Hoex, J. Schmidt, P. Pohl, M. C. M. Van De Sanden and W. M. M. Kessels, J. Appl.Phys. 104, (2008). K. Jaeger and R. Hezel, 18th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., (IEEE, Las Vegas, 1985).

21 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 How to solder? Rear passivationA [cm²] [%] J sc [mA/cm²] V oc [mV] FF [%] # Process steps ICP AlO x /SiN y * Full area Al-BSF * Independently confirmed SiN y PoP Ag fingers Screen-printed Al ICP AlO x n + emitter ISFH press release, March 2 nd, 2012 B. Veith et al., presented at 2 nd Silicon PV Conf., Leuven, April % screen-printed PERC cell with homogeneous emitter 21 Sn pads for soldering p-type Cz-Si

22 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 ISFH entwickelte im Auftrag von Schott Solar AG ein neues Verfahren für das Aufbringen von Lötstellen aus Zinn auf siebgedrucktem Al. Dieses am ISFH erstmals demonstrierte Verfahren ist die Grundlage der von Schott und SCHMID entwickelten TinPad-TechnologieTinPad-Technologie 0,2%-Punkte Wirkungsgradsteigerung durch Wegfall der Ag-Pads* Kostenersparnis von ca. 0,04 /Zelle* SCHOTT Solar AG und SCHMID Group gewinnen dafür den Intersolar Award 2012 in der Kategorie PV-Produktionstechnik Neue Verbindungstechnik mit Zinn auf siebgedrucktem Aluminium ISFH Entwicklungsaufbau Quelle: Solar Server Bild: Solar Server SCHMID Produktionsmaschine * Lt. Angaben Fa. Schmid

23 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Back contacted cells for easier module integration Cell area 15.6 cm x 15.6 cm full square J SC = 40.5 mA/cm² V OC = 667 mV FF = 77.7 % η = 21.0 % (Full area measurement) F. Kiefer, C. Ulzhöfer, T. Brendemühl, N. P. Harder, R. Brendel, V. Mertens, S. Bordihn, C. Peters and J. W. Müller, IEEE J. Photovoltaics, 1, 49 (2011). n-type Cz-Si

24 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Al-foil attached to silicone encapsulant Laser welding of Al-foil to Al-metallization of solar cells 19.3 % active area efficiency after lamination Laser welded Al-interconnections stable during 200 humidity-freeze cycles Ag-free module integration by laser welding (AMELI) Solar cell µs-laser beam Evaporated Al - layers Silicone encapsulant Laser weld spots in Al-layers Al-foil Silicone encapsulant Solar cell Front glass Back sheet H. Schulte-Huxel, R. Bock, S. Blankemeyer, A. Merkle, R. Brendel., IEEE J-PV 2, 16, 2012

25 Copyright ISFH, June 29 th, Module efficiency [%] Thickness W [µm] Thin-film/wafer hybrid silicon (HySi) technologies recombination hurdle mech. stability hurdle wafer thin-film/wafer hybrid silicon CSG a-Si/µc-Si a-Si low cost/m 2 high power/m 2 low cost/power R. Brendel, J. Petermann, D. Zielke, H. Schulte- Huxel, M. Kessler, S. Gatz, S. Eidelloth, R. Bock, E. Garralaga Rojas, J. Schmidt, and T. Dullweber, IEEE Journal of Photovoltaics 1, 9 (2011).

26 Copyright ISFH, June 29 th, A visionary thin-film wafer hybrid silicon approach (HySi) Si glass Metalize and laser scribe a large glass Use thin monocrystalline Si from somewhere Connect them to the metallization on the glass Apply many processes on large areas as in thin-film PV Use processes and machines from the thin-film and the wafer world TCO a-Si c-Si Al 2 O 3 /SiN x Al R. Brendel, J. Petermann, D. Zielke, H. Schulte-Huxel, M. Kessler, S. Gatz, S. Eidelloth, R. Bock, E. Garralaga Rojas, J. Schmidt, and T. Dullweber, IEEE Journal of Photovoltaics 1, 9 (2011).

27 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Kerfless separation and texturing by electrochemical etching Macroporous Si (MacPSi) on 8x8 cm 2 Surface passivation results in effective carrier lifetime of eff = (38.8 ± 3.9) µs (peridoic pores) 26 µm-thick MacPSi-layer allows for a short-circuit current density of 37.6 mA/cm 2 M. Ernst, R. Brendel, R. Ferré, N.-P. Harder, and S. Kajari-Schröder, Proc. 38th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., (2012).

28 Copyright ISFH, June 29 th, Avoid ingot crystallization and sawing by epitaxial growth on p orous Si ( PSi ) Efficiency ? 30 µm

29 Copyright ISFH, June 29 th, ,1 % efficiency Epitaxial layer of 43 µm thickness 29 Highest efficiency of epitaxial Si cell that did not consume a wafer independently confirmed J. H. Petermann, D. Zielke, J. Schmidt, F. Haase, E. G. Rojas and R. Brendel, Progress in Photovoltaics 20, 1-5 (2012). Cell from layer transfer using porous Si (PSI process)

30 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Scientific topics: Junction formation Surface morphology and passivation Cleaning and etching Structuring and contact formation Silicon material Wafering and kerfless technologies Advanced characterization and simulation Process integration Module integration Reliability Advanced technologies and materials for crystalline Si solar cells and modules March , 2013 in Hamelin, Germany Hosted by:

31 Copyright ISFH, June 29 th, Acknowledgements Open positions in module and cell development! Lower Saxony for 25 a of institutional funding and project funding BMU, BMWi, BMBF for project funding Many industry partners for exciting collaborations Group leaders, PhD students and staff their creative work

32 Copyright ISFH, June 29 th, GW in 2020 wie im nationalen Aktionsplan an die EU gemeldet 32 Ausbauszenario mit 3 GW/a

33 Copyright ISFH, June 29 th, Hypothetische Einspeisung im Mai 2020 bei verdoppeltem Wind- und Solaranteil Anteil Wind und Sonne verdoppelt relativ zu Mai 2012: Für 22 GW Grundlast nur wenige Spitzen der EE zu kappen Ost-West-Orientierung und Speicher reduzieren Doppelspitzen

34 Copyright ISFH, June 29 th, BoremitterAl 2 O 3 -SiN x Passivierung 1.5 Ωcm n-typ Cz- Si Phosphor-BSFSiO 2 Passivierung Metallisierung

35 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 A. Aberle, T. Lauinger, R. Hezel, Proc. 14th EUPVSEC (1997), p. 684 Invention of Inline-PECVD-SiN x deposition concept at ISFH in 1997 Fabrication of first Inline-SiN x prototype in cooperation with ASE In the year 2000 the world-first prototype had been successfully transferred into production at ASE

36 Copyright ISFH, June 29 th, 2012 Business Unitstrictly confidential SPGlobal R&D Cell 36 J. Moschner Projekt SiNA des ISFH mit ASE GmbH (heute SCHOTT Solar AG) 36 Förderprojekt des BMBF Ziel: Entwicklung einer Durchlauf-Beschichtungs- anlage für Siliciumnitrid-Antireflexbeschichtung Unterauftragnehmer Roth&Rau GmbH Entwicklungsinhalte: Wafer-Transportystem für hohe Temperaturen basierend auf speziellen Carriern Beschichtungsquellen für kontinuierliche Schichtabscheidung Prozessoptimierung für SiN-Antireflexbeschichtung und -Passivierung Ein Team von fünf Ingenieuren und Wissenschaftlern wurde hierfür aufgebaut In Testaufbauten am ISFH wurden Komponenten erprobt ( ) Ein Prototyp wurde Ende Anfang 2000 bei ASE aufgebaut und in Betrieb genommen Nach Inbetriebnahme wurde die Anlage von 2000 bis 2006 im Produktionsbetrieb in der weltweit ersten voll in-line integrierten Solarzellen-Produktionslinie eingesetzt Das Projekt lieferte wesentliche Grundlagen für die weitere Entwicklung industrieller Produktionsanlagen


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