Photovoltaik: Wie geht es weiter? ni - Hochschule Karlsruhe · ni-e ipv laser based process emitter...
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www.ipv.uni-stuttgart.de www.ipv.uni-stuttgart.de Photovoltaik: Wie geht es weiter? Jürgen H. Werner Institut für Photovoltaik, Universität Stuttgart 6. Mai 2015 [email protected]
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Photovoltaik: Wie geht es weiter?
Jürgen H. Werner
Institut für Photovoltaik, Universität Stuttgart
6. Mai 2015
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Danke!
Renate Zapf-Gottwick und Jürgen Köhler
Kai Carstens, Morris Dahlinger, Erik Hoffmann
Birgitt Winter und die Technologiegruppe!
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Überblick
1. Wie funktioniert eigentlich eine Solarzelle?
2. Jede „normale“ Diode ist eine Solarzelle
3. Photovoltaikmarkt: kaum Installationen in
Deutschland, kaum mehr deutsche Hersteller
4. Schadstoffe in PV-Modulen
5. Der Ausweg für europäische Hersteller:
Sehr hohe Wirkungsgrade
6. Rückseitenkontaktzellen und ihre Herstellkosten
7. Speicherkosten
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1. Wie funktioniert eigentlich eine
Solarzelle
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Wie funktioniert eine Solarzelle?????
Absorption von Solarstrahlung
Anregung von Elektronen
Gerichteter Elektronenfluss
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Wasserfall-Modell von Solarzellen
Ec
EFp
Ev Metall 1 Metall 2
EFn
qV
Me
mb
ran
2
Me
mb
ran
1
Die „Membranen“ für Elektronen im Valenz- bzw.
Leitungsband lassen nur Elektronen im Valenzband (Löcher)
rechts und im Leitungsband (links) durch.
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Wasserfall-Modell von Solarzellen
Metall 1 Metall 2
EFn
Me
mb
ran
2
Me
mb
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1
Einstrahlungsrichtung
Photonen regen Elektronen vom Valenzband an. Sie fließen
nach links zur „Elektronensenke“. Ständig werden von rechts
Elektronen ins Valenzband nachgeliefert.
Ec
EFp
Ev
qV qV
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Wasserfall-Modell von Solarzellen
Ec
EFp
Ev Metall 1 Metall 2
EFn
qV
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Me
mb
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1
Photonen regen Elektronen vom Valenzband an. Sie
fließen nach links zur „Elektronensenke“. Ständig werden
von rechts Elektronen ins Valenzband nachgeliefert.
Einstrahlungsrichtung
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Ec
EFp
Ev Metall 1 Metall 2
EFn
qV
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mb
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Me
mb
ran
1
Ersetzen der „Membranen“ durch (hoch)dotierte Bereiche.
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Ec
EFp
Ev Metall 1 Metall 2
EFn
qV n+ p+
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Wasserfall-Modell von Solarzellen
Ec
EFp
Ev Metall 1 Metall 2
EFn
qV n+ p+
Einstrahlungsrichtung
p
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Aluminium-Kontakt
p+-Bereich (Aluminium)
p-Typ Silizium
n+-Typ Silizium
Raumladungszone
Silber-Kontakt Licht
Si3N4 Textur
e-
h+
-
+
= V
A
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-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0-40
-30
-20
-10
0
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20
30
40
Dunkelkennlinie
VOC
-Jphoto
Str
om
dic
hte
J [
mA
/cm
²]
Spannung V [V]
Hellkennlinie
Strom/Spannungs-Kennlinie einer pn-Diode „im Dunkeln“ und „im Hellen“.
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2. Dioden und Solarzelle
Wann ist eine Diode/Zelle im Dunkeln?
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-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Dunkelkennlinie
VOC
-Jphoto
Str
om
dic
hte
J [
mA
/cm
²]
Spannung V [V]
Hellkennlinie
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0.7 V
1 mA/cm2
V
J
© JHW
60 V
J0= 1 nA/cm2
J
V
a) b)
-
Woher kommt der Sperrsättigungsstrom?
)1(0 kT
qV
eJJ
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EF
p+ p
n
n0 =ni2/p0
p0 = NA
Bändermodell „im Dunkeln“, ohne Spannung
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p+
n nLx
e/
n0
xRLZ
nRLZ
x
)()( , xnqvxJ ndiffn
EFp EFp
EFn qV
„Im Dunkeln“, Vorwärtsspannung
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p+
n
A
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N
n
L
DqnqvJ
2
0,0
xRLZ
EFp EFp
EFn -qV
„Im Dunkeln“, Rückwärtsspannung
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EF
p+ p
n
n0 =ni2/p0
p0 = NA
Woher kommen die Elektronen „im Dunkeln“
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EF
p+ p
n
n0 = G0τ0
p0 = NA
G0 R0
Woher kommen die Elektronen „im Dunkeln“
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p+
n xRLZ
EFp EFp
EFn -qV
G0 R0 G0 R
Woher kommt der Sperrsättigungsstrom?
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= ihr Photostrom „im Dunkeln“
= 0, nur wenn keine Wärmestrahlung der
Umgebung vorhanden ist, also bei T = 0 K.
Der Sperrsättigungsstrom J0 jeder Diode
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-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Dunkelkennlinie
VOC
-Jphoto
S
tro
md
ich
te J
[m
A/c
m²]
Spannung V [V]
Hellkennlinie
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3. Photovoltaikmarkt
… kaum mehr in Deutschland,
kaum mehr von Deutschen…
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Weltmarkt: Ausblick, gesamte Installationen
Quelle: EPIA 2013
Oberer Wert
Unterer Wert
Welt
weit
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nsta
llati
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[G
W]
200 GW
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1990 1995 2000 2005 2010 2015 202010
0
101
102
103
104
105
year
insta
lled
PV
-po
we
r [M
W]
PV in Deutschland (Mai 2015)
39 GW
≈ 250 km2
52 GW
1 GW/a
exponentiell linear
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Weltmarkt: Jährlicher Zuwachs
Quelle: EPIA 2013
Unterer Wert
Welt
weit
e jäh
rlic
he I
nsta
llati
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[G
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Oberer Wert
Zuwachs erfordert neue
Fabrikkapazitäten
Deutscher Markt: 1 GW/Jahr -
+
45 GW
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Modul-Hersteller, Marktanteile Jäh
rlic
he M
od
ulp
rod
ukti
on
[G
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Quelle: EPIA 2014
gesamt
ROW
Taiwan
China
Japan Europa
USA
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Schlussfolgerungen
Schlechte Nachrichten
Kaum noch Markt in Deutschland
Kaum noch deutsche Hersteller
Gute Nachrichten
Riesiger Markt außerhalb von Deutschland
Hersteller können Wachstum kaum mithalten
Neue Fabriken benötigt!
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1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200
20
40
60
80
100
M
ark
et S
ha
re [%
]
Dünnfilmmodule sind keine Option
Crystalline Si
Thin Films
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Lernkurve für Module aus kristallinem Si
Faktor 100
in 40 Jahren !!
1976
2015: 50 €ct/Wp
Mo
du
le P
rice
M€ [$
/Wp]
Stromkosten in D 2015: 8 ct/kWh 2030: 5 ct/kWh
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4. Schadstoffe in PV-Modulen
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1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
100
101
102
103
104
a-Si CIGSCdTe
c-Si
po
we
r of ann
ua
lly insta
lled
PV
-mod
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s P
[M
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year
PV total
Weltmarkt PV-Module
40 GW in 2014
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CdTe
12 %
a-Si
7 %
CIGS
13 %
c-Si
16 %
PV-Module
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1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
10-1
100
101
102
103
104
GCdTe
GPb
in c-Si
w
eig
ht of ha
zard
ou
s s
ubsta
nce
s
in P
V-m
od
ule
s G
Pb, G
Cd
Te [t]
year
Verteilte Schadstoffe
2014:
GPb 14.000 t
GCdTe 1.800 t
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Auslaugexperimente
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5. Der Ausweg für europäische
Hersteller: Hohe Wirkungsgrade
.. und schadstofffrei!
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Systempreise 2015
Module: 50 bis 60 €ct/Wp = 500 bis 600 €/kWp.
Wie viel kostet Gesamtsystem (ca. 7 m2/kWp)?
Komponenten Preis [€/kWp] Anteil [%]
Module, M€ 500 - 600 30 - 50
Aufständerung, Kabel, Lohnkosten, BOS€ 250 - 400 25 - 30
Inverter, Gerüst, Versicherung, Gewinn
des Installateurs, Fix
150 - 500 25 - 30
Summe, T€ 900 - 1500 100
FIXBOSMT €€€
flächenabhängig = 70 – 80 %
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Modulpreise
50 ct/Wp 75 €/m2 η = 15 %
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Systempreis: 900 €/kWp
M = 75 €/m2 @ 15 %
BOS = 30 €/m2
Fix
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Systemkosten: €/kWp und €/m2
BOSP
BOS
MP
M
0
€
0
€
1
1
□
□
FIXBOSMT €€€
FIXBOSMP
T )(1
0
€ □ □
Wirkungsgrad 1 kW/m²
€/kWp €/m²
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Wie viel mehr bezahlt Installateur?
0 5 10 15 20 25 30-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
A
llow
ed A
dd. M
odul
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rice
M€ [c
t/W]
Module Efficiency [%]
20 €/m²
40 €/m²
60 €/m²
BOS□ = 80 €/m²
100 €/m²
56 ct/W
allowref
allow BOSM
11€
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Höherer Wirkungsgrad
0 5 10 15 20 25 30-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
A
llow
ed A
dd. M
odul
e P
rice
M€ [c
t/W]
Module Efficiency [%]
20 €/m²
40 €/m²
60 €/m²
BOS□ = 80 €/m²
100 €/m²
+7
+14
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6. Rückseitenkontakte und ihre
Herstellkosten
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46
back contact cell
(Sunpower, 22 - 23%)
back contact cell
(ipv, 21.2 %)
„normal“ cell
(ipv, 18.5 %, 6“)
12
5
mm
15
6
mm
6“ 5“ 5“
5“ 6“ 21 % 22 %
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Laser Processed Back Contact Cells
Laser ablation Laser structuring Laser doping
Highly versatile
Photolitography free
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ipv laser based process
emitter laser doping emitter laser doping
FSF furnace diff.
therm. SiO2
FSF furnace diff.
therm. SiO2
boron sputtering boron sputtering
laser ablation laser ablation
BSF laser doping BSF laser doping
cleaning cleaning
PECVD SiNx
+ passivation
PECVD SiNx
+ passivation
PSG
boron precursor
FSF
n-type
emitter BSF
SiO2
SiO2
passivation
layer stack PSG
+SiNx
contacts
cleaning cleaning
metallization metallization
*confirmed
best cell/
contacts by
size
[cm2]
Voc
[mV]
Jsc
[mA/cm²]
FF
[%]
η
[%]
Photolithography 4 663 40.9 80.3 21.8*
669 41.3 79.8 22.0
Ag-screen printing 4 654 41.8 78.2 21.4
Al-metallization 4 676 42.3 82.4 23.2*
Al-metallization 156 674 39.3 79.8 21.2
laser structuring laser structuring
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0 5 10 15 20 25 30-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
A
llow
ed A
dd. M
odul
e P
rice
M€ [c
t/W]
Module Efficiency [%]
20 €/m²
40 €/m²
60 €/m²
BOS□ = 80 €/m²
100 €/m²
Erlaubter Verkaufspreis „Premium“-Modul
+7
+14
Handelsspanne
>10 ct/Wp
Rück-Si Modul
Herstellung 49 ct/Wp
Asiatisches Modul
Preis 56 ct/Wp
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7. Speicherkosten
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102 103 104 105 106
101
102
103
Cumulated Li-Batt. Capacity [MWh]
Li-
Ba
tt. P
rice
[$
/kW
h]
Learning factor 0.85
Speicherkosten (nach W. Hoffmann 2014)
ww
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Speicherkosten (nach W. Hoffmann 2014)
2012 2015 2020 2030
20
10
0
Speic
herk
oste
n
€ct/kW
h
2012 2015 2020 2030
180
340
150
250
50
200
25
100
Zelle
Pack B
atte
riekoste
n
$/k
Wh
5 ct/kWh
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Wie geht es weiter?
1. PV-Modulmarkt geht „nach Süden“.
2. Premium-Module (>20%) herstellbar in D für
< 50ct/Wp
3. 2030: Strom aus PV in D 5ct/kWh
Strom aus Speicher 5ct/kWh
4. Schadstoffe raus aus PV-Modulen!
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PV Power Map (2014)
2014: 440 W/person
2020: 650 W/person
Source: Market Outlook, EPIA, 2013
