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Symposium Erneuerbare Energienzur 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 FestkörperphysikLeibniz Universität Hannover

Mini-module of back-contacted c-Si cells with integrated connection

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Erste kristalline Siliziumsolarzelle(1954)

Quelle: The Silicon Solar Cell Turns 50, John Perlin, NREL Report No. BR-520.33947

• Diffundierter pn-Übergang

• n-Typ Rückkontaktzelle

• Wirkungsgrad 6 %

D. M. Chapin, C. S. Fuller G. L. Pearson, J. Appl. Phys. 25 676 (1954).

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Silizium, ein ideales Material

Institut für Solarenergieforschung Hameln

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Silizium gibt es wie Sand am Meer

Datenquelle: F. K. Lutgens and E. J. Tarbuck, Essentials of Geology, (Prentice Hall, 2000).

Oxygen 46.4%

Silicon 27.7%

Aluminum 8.1%

Iron 5.0%

Calcium 3.6%

Sodium 2.8%

Potassium 2.6%

Magnesium 2.1%

All others 1.5%

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• 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

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Hoher Brechungsindex, sehr gute Beweglichkeit

• Brechungsindex von

• Lichtwegverlängerung:

• Filmdicke

• Hervorragende Beweglichkeit :

2

170µm

4g gE E

Wn

24 52gEn

3 5gEn ,

2 2 2q q cm1 7

k k 1ms Vs C

W W,

T T

210C/

* E. Yablonovitch and G. D. Cody, IEEE Trans. Electron Dev. ED-29, 300-305 (1982)

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Wertschöpfungskette

(Source: W. Hoffmann, „Renewables in a Nutshell“, Lecture held at LUH, Oct. 2011)

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Siliziumverbrauch durch dicke Wafer und Sägeverluste

Photo: SolarWorld AG

Photo: delo

• Sägeverlust 100..140 µm

• Waferdicke 180..200 µm

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Standard Si-Zelle mit homogener Rückseite

• Wirkungsgrad mono-Si: 18,5 %

• Wirkungsgrad multi-Si 16 bis 17 %

• Waferdicke 180 µm

+

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Marktentwicklung und Kosten

Institut für Solarenergieforschung Hameln

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012• Exponentielles Wachstum

von 50% pro Jahr

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Schnelles Wachstum der weltweitenProduktion

• Kristallines Si immer > 85% Marktanteil

Data source: Photon 4/2012, p.43

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Photovoltaik: macht Energiewende erlebbar

1,9 kWp-Kleinanlage auf der Garage (heute 5000 €):35 % des Verbrauches real durch PV-Anlage gedeckt im Mai 201280 % bilanziell durch PV-Anlage gedeckt im Mai 2012

• Erzeugung nah am Verbrauch

• Risikoarm

• Keine Beeinträchtigung des Landschaftsbildes

• Starke Unterstützung in der Bevölkerung

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Netzeinspeisung im Mai 201225 GW PV in D installiert

• PV-Strom deckt Mittagsspitzen bedarfsgerecht• Am 25.5.2012 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, http://www.transparency.eex.com/de/

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Preisentwicklung für c-Si PV-Module:Derzeit keine nachhaltigen Preise

Average spot price0.85 US$/W = 0.65 €/Wfor May 2nd 2012http://pvinsights.com/index.php

€kWh1 €/W 920 20 0 054

kW a kWha ,

Beitrag der Module zum Strompreis ohne Kapitalkosten:

0,10 €/kWhISFH-Gründung

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Schätzung der EEG-Umlage

Zubau ab 2012 0 GW/a 3 GW/a Änderung

Ausbau in 2022 25 GW 52 GW + 108 %

Kumulierte Kosten 136 G€ 166 G€ + 22 %

Max. PV Umlage 1,6 ct/kWh 2,0 ct/kWh + 25 %

Max. Anteil am Kleinabnehmerpreis

6,4 % 6,3%

3 GW/a for 2012 to 2020

0 GW/afrom 2012 on

Annahmen: Konventioneller Strompreis: +4%/aVergütung -10%/a, Mittlere Vergütung 2012 ist 19,5 ct/kWh

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• Kosten pro Fläche sind entscheidend

• Materialien dominieren die Kosten

→ Weniger Si und Ag!

→ Keine Kristallisation → Kein Sägen

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Modulkosten

Quelle: International TechnologyRoadmap for Photovoltaics (ITRPV)Results 2011 und eigene Daten

Crystalliz. Wafering Cell Module

Consumables

Equipment

Labor

Energy

(non-Si)

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Aus der ISFH-Forschung

Institut für Solarenergieforschung Hameln

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Standard BSF- and PERC cells

Full-area Al-BSF Cell PERC cell*

Rrear

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* A. W. Blakers et al., APL 55, 1363 (1989)

+

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Laser open a new dimension of processing:

• Contact openings• Structuring Si• Drilling Si• Welding interconnections• Deposition

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„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, 521-527 (2007).

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„Enabling process“: Surface passivation by Al2O3

• Al2O3 for surface passivation of solar cells

• Atomic layer deposition (ALD) technique yields high quality passivation

• Excellent firing stability for spatial ALD:Seff < 20 cm/s after firing

20

J. Schmidt, B. Veith, and R. Brendel, Phys. Status Solidi RRL 3, 287-289 (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).

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How to solder?

Rear passivation A [cm²] h[%]

Jsc

[mA/cm²]Voc

[mV]FF [%]

# Process steps

ICP AlOx/SiNy 233.2 20.1* 39.0 655 78.8 11

Full area Al-BSF 231 18.7 37.1 638 79.1 9

* Independently confirmed

SiNy

PoP Ag fingers

Screen-printed AlICP AlOx

n+ emitter

ISFH press release, March 2nd, 2012B. Veith et al., presented at 2nd Silicon PV Conf., Leuven, April 2012

20.1% screen-printed PERC cellwith homogeneous emitter

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Sn pads for soldering

p-type Cz-Si

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• 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“-Technologie

• 0,2%-Punkte Wirkungsgradsteigerungdurch 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 Zinnauf siebgedrucktem Aluminium

ISFH Entwicklungsaufbau

Quelle: Solar Server

Bild: Solar Server

SCHMID Produktionsmaschine

* Lt. Angaben Fa. Schmid

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Back contacted cells for easier module integration

• Cell area 15.6 cm x 15.6 cm full squareJSC = 40.5 mA/cm²VOC = 667 mVFF = 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

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• 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

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0

Mo

du

le e

ffic

ien

cy h

[%

]

Thickness W [µm]

10

20

5

15

1 3 10 30 100 300

Thin-film/wafer hybrid silicon (HySi) technologies

recombination hurdle

mec

h. s

tab

ility

hu

rdle

wa

ferthin-film/wafer

hybrid silicon

CSG

a-Si/µc-Si

a-Si

lowcost/m2

highpower/m2

lowcost/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).

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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

TCOa-Si

c-Si

Al2O3/SiNx

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).

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Kerfless separation and texturingby electrochemical etching

• Macroporous Si (MacPSi) on 8x8 cm2

• Surface passivation results in effective carrier lifetime of teff = (38.8 ± 3.9) µs (peridoic pores)

• 26 µm-thick MacPSi-layer allows for a short-circuit current density of 37.6 mA/cm2

M. Ernst, R. Brendel, R. Ferré, N.-P. Harder, and S. Kajari-Schröder, Proc. 38th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., (2012).

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Avoid ingot crystallization and sawingby epitaxial growth on porous Si (PSi)

Efficiency ?30 µ

m

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• 19,1 % efficiency• Epitaxial layer of 43 µm thickness

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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)

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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 25- 27, 2013 in  Hamelin, Germany

www.siliconpv.com

Hosted by:

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Acknowledgements

www.isfh.de → 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

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• 52 GW in 2020 wie im nationalen Aktionsplan an die EU gemeldet

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Ausbauszenario mit 3 GW/a

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Hypothetische Einspeisung im Mai 2020bei 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

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Boremitter Al2O3-SiNx Passivierung

1.5 Ωcm n-typ Cz-Si

Phosphor-BSF SiO2 Passivierung

Metallisierung

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A. Aberle, T. Lauinger, R. Hezel, Proc. 14th EUPVSEC (1997), p. 684

•Invention of Inline-PECVD-SiNx deposition concept at ISFH in 1997

•Fabrication of first Inline-SiNx prototype in cooperation with ASE

•In the year 2000 the world-first prototype had been successfully transferred into production at ASE

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Business Unit strictly confidentialSP Global R&D Cell

J. Moschner

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Projekt „SiNA“ des ISFH mit ASE GmbH (heute SCHOTT Solar AG)

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Förderprojekt des BMBF 1998...2001

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 (1998...1999)

Ein Prototyp wurde Ende 1999...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