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Photovoltaik
Herstellung und innovative Konzepte
Von Sebastian Illing und Nora Igel
1. Herstellung
1.1 Siliziumproduktion
1.2 Zellenproduktion
1.2.1 Texturierung1.2.2 Dotierung1.2.3 Passivierung1.2.4 Metallisierung
2. Innovative Konzepte
2.1 Rückseitenzelle 2.2 Bifacial Zellen2.3 Konzentratorzelle2.4 Dünnschichtzellen2.5 Tandem Zellen2.6 Organische Zellen2.7 Dritte Generation
Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte
Inhaltsübersicht
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1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
Quelle: Bild [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik , Formel [2] 3/33
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Schmelzofen zur Herstellung von metallurgischem Silizium
Schmelzflusselektrolyse
T ≈1800°C
Reinheit : 98%
Chemical Vapor Deposition (CVP)
Quelle: [1],[2]
1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
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Anlage zur industriellen Abscheidung von Polysilizium
Siemens Prozess
Endprodukt: Si-Stäbe
Czochralski Verfahren
Quelle: Abb.1 [1], Abb.2 : Seilnacht Chemielexikon
1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
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Abb.1: Schematische Darstellung desEinkristallziehen nach Czochralski
Abb.2: Fertiger Si-Einkristall nach Czochralski
Zonenziehverfahren
1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
Quelle: Abb.1: [1], Abb.2: A. Pucci, Vorlesung Festkörperphysik SS08 6/33
02.06.08
Abb.1: Schematische Darstellung desZohnenziehverfahrens
Abb.2: Float-zoning
Dotierung: Phosphin, Diboran
Herstellung von Si-Scheiben
1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
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Verwendung eines Innenloch-Sägeblatts
50% Verluste
Drahtziehtechnik
35% Verluste� 0,2 -0,4 mm dicke Scheiben
Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik
Blockgießen
1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
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(1) Quarztiegel
(8) Graphittiegel
-Polykristallines Si
- 30x30cm²
Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik
Folienmaterialien
1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
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Edge defined Film Growth (EFG)
Silicon Sheet from Powder (SSP)
Quelle: EFG und SSP: [1] , Foto: M. Zorsch, Fraunhofer THM, Freiberg, Grundmaterialien für die Photovoltaik
1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 10/33
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1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.2 Texturierung
Quelle: [1], [2] 11/33
02.06.08
Random PyramidsInvertierte Pyramiden 20x20µm²
1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.2 Dotierung
Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 12/33
02.06.08
Diffusionsprozess
2. Fick‘sches Gesetz
Gauss -Verteilung
Diffusionskoeffizient
1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.2 Dotierung
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Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik
1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.2 Dotierung
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Theoretische Kurven
Phosphorprofile bei Diffusionstemperaturen von 950°C in Abhängigkeit der Diffusionszeit
Diffusionsquelle: Phosphorsilicatglas
Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik
1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.3 Passivierung
Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 15/33
02.06.08
1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.4 Metallisierung
Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 16/33
02.06.08
Siebdruckverfahren zur Aufbringung der Frontkontakte
Lift-off Verfahren
1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.4 Metallisierung
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Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik
1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.4 Metallisierung
Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 18/33
02.06.08
1. Herstellung
1.1 Siliziumproduktion
1.2 Zellenproduktion
1.2.1 Texturierung1.2.2 Dotierung1.2.3 Passivierung1.2.4 Metallisierung
2. Innovative Konzepte
2.1 Rückseitenzelle 2.2 Bifacial Zellen2.3 Konzentratorzelle2.4 Dünnschichtzellen2.5 Tandem Zellen2.6 Organische Zellen2.7 Dritte Generation
Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte
Inhaltsübersicht
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Quelle: [10] Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme
Vorteile:
-Keine Abschattungsverluste
-Metallkontakte großflächig �geringer Widerstand
-Wirkungsgrad 18.5 %
Nachteile:
-Hohe Diffusionslänge notwendig für geringe Oberflächenrekombination
-Isolierung der Kontakte notwendig
2. Innovative Konzepte 2.1 Rückseitenzellen
Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik 21/33
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Vorteile:- Beidseitige Beleuchtung- Wirkungsgrad 20% auf Rückseite
21,4% Vorderseite
Innovative Konzepte 2.2 Bifacial - Zelle
Quelle: [6] TNC - Consulting AG, [7] R. Kohlbauer GmbH, [11] FVS Themen 2003, Pfof. Dr. Rudolf Hezel
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Nachteil:- Hohe Anforderungen an Material
und Technologie
Erste Bifacial PV-Anlage in Aubruggbei Zürich (120m)
Bifacial-Zellen an der Fassade des ISFH Gebäudes
2. Innovative Konzepte 2.3 Konzentratorzelle
Quelle:
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22/33Links: [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe / rechts: Sharp
Sharp-Konzetrator Modul:
500-fach Konzentriertes Licht � η ≈ 40%
Grundprinzip der Konzentratorzelle
2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle
Quelle: [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe 23/33
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Vorteil: - geringer Materialaufwand � Kostenreduzierung
Idee: - Verwendung direkter Halbleiter
� nur noch dünne Schichten
Problem: - geeignetes Substrat notwendig
2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle
2.4.1 Amorphes Silizium
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Atomistische Struktur von amorphem Silizium
Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik
Struktur einer α-Si Zelle mit intrinischer Schicht
Vorteile: - kostengünstig
- Energierücklaufzeit 2-3 Jahre
- Abscheidung auf günstiges, flexibles Substrat
Nachteil: - bescheidene Wirkungsgrade (4-8 % kommerziell)
2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle
2.4.2 Galliumarsenid GaAs
Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik 25/33
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+ Bandabstand optimal (1,42eV)
+ absorbiert 90% des Lichtes in 2µm
+ hohe Wirkungsgrade (η ≈ 24%)
- Ga und As toxisch
- kostenintensiv
Quelle: [3] FVS Themen 2003, Dr. Michael Powalla
2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle
2.4.3 Kupfer – Indium - Diselenid (CIS)
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Problem: Indium geht zur Neige
Spitzenwirkungsgrade von CIS- Solarzellen und Modulen
CIGS - Anlage auf einer Schule in Marbach a. N.
2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle
2.4.4 Kristallines Silizium
27/33Quelle: [9] CSG Solar AG
- Energierücklaufzeit 2-3 Jahre- keine toxischen Stoffe oder Schwermetalle- keine Degradation in über 30 Jahren
-Silangas wird direkt auf Glas abgeschieden(nur 1,4 µm)
- Laser trennen die Zellen- Kontakte auf Rückseite
2. Innovative Konzepte 2.5 Tandemzelle
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Hintereinanderschalten von Zellen mit unterschiedlichem Bandabstand
� Für unendliches Tandem ergibt sich η ≈ 86%
Quelle: [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe
2. Innovative Konzepte 2.6 Organische Solarzelle
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Polymer- Fulleren-Solarzelle auf flexiblem Substrat
Quelle: [5] Physik Journal 05/2008, [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe
- Absorption führt nicht direkt zur Anregung von freien Ladungsträgern
- Es werden Elektron-Loch Paare erzeugt
- sehr günstige Materialien
- mechanische Flexibilität �einfache Integration
- keine Entsorgungsproblematik
- Wirkungsgrad nur ca. 5%
2. Innovative Konzepte 2.7 Dritte Generation
2.7.1 Thermo - Zelle
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Theoretischer Wirkungsgrad: η ≈ 85%Probleme: - Absorption im Interferenzfilter
- thermische Stabilität
Quelle: links: [4] Prof. Dr. Peter Würfel rechts: [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe
2. Innovative Konzepte 2.7 Dritte Generation 2.7.2 Up/Down Konverterzelle
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Zwei - Stufen -Absorptionsprozess
-η > 60% fürkonzentriertes Licht
- η > 45% für nicht-konzentriertes Licht
Quelle: [4] FVS Themen 2003, Prof. Dr. Peter Würfel
Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte
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Zusammenfassung Herstellungsprozess:
Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte
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Zusammenfassung innovative Konzepte:
In Benutzung:
- Rückseitenzelle
- Bifacialzelle
- Konzentratorzelle
- Tandemzelle
- Dünnschichtzellen
- CSG Zellen
In Entwicklung:
- Organische Zellen
Theoretische Konzepte:
- Thermozellen- Up/Down Konverter
Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte
Quellen
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[1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik, Teubner 1997
[2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe von 2005
[3] FVS Themen 2003, Dr. Michael Powalla: Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Verbindungshalbleitern
[4] FVS Themen 2003, Prof. Dr. Peter Würfel: Neue Solarzellenkonzepte
[5] Physik Journal 05/2008
[6] TNC Consulting (www.tnc.de)
[7] R. Kohlbauer GmbH (www.kohlbauer.com)
[8] Gebr. Schmid GmbH + Co., Automatisierte Prozessanlagen
[9] CSG Solar AG (www.csgsolar.de)
[10] Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiberg (http://www.ise.fraunhofer.de)
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