FVS-Jahrestagung 2007

Von der Grundlagenforschung zur Produktion

Entwicklungspotenziale der Dünnschichtphotovoltaik an Beispielen aus der Si- und CIS-Technik

M. Powalla (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg)

W. Beyer (Forschungszentrum Jülich)M. Lux-Steiner (Hahn-Meitner Institut Berlin)B. Rech (Hahn-Meitner Institut Berlin)

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Inhalt

• Einleitung und Motivation

• Impulse aus der Grundlagenforschung in die Produktion Si-Dünnschichttechnik CIS-Technik

• Zusammenfassung und Ausblick

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Photovoltaik Dünnschichttechnik

Rückkontakt

Frontkontakt

Substrat

Verkapselung Glas, Folie + Polymer

Glas, Folie + Polymer

Substrataufbau

Absorber / p/nRückkontakt

Frontkontakt

Substrat

Glas, Folie + Polymer

Glas, Folie + Polymer

Absorber / p/n-Struktur

Licht

Frontkontakt

Rückkontakt

Verkapselung

Substrat

Superstrataufbau

Absorber / p/n

Frontkontakt

Rückkontakt

Substrat

Absorber / p/n-Struktur

Licht

The primary idea is a tiny amount of expensive material (1 micron or so) and lots of cheap glass and wire and metal and plastic

Ken Zweibel, NREL, 2004

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Produktionsankündigungen Dünnschichttechnologie(Stand August 2007)

Quelle: A. Jäger-Waldau, 2007

2010/2011: 6 GW!

130 TF companiesof which 21 wereactive in 2006

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ZnO

Licht

Glas (1-4mm)

TCO

n

Ag

p

i

n

pi

µµcc--Si:HSi:H

aa--Si:HSi:H∼ 3µm

a-Si/µc-Si Tandemzelle(„Micromorph“)

Mo (0.5 µm)

ZnO:Al (1 µm)

CdS (0.05 µm)

Glas (3 mm)

CIGS (2 µm)

i-ZnO (0.05 µm)

p

n

∼ 4µm

CIGS-Solarzellen: CuIn1-xGaxSe1-ySy

Licht

Produktionskapazität in D2007/2008:

ca. 100 MWp ca. 300 MWp

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Wirkungsgrad und theoretisches LimitBeispiel: Cu(In,Ga)(S,Se)2-Technologie

10-1 100 101 102 103 1048

12

16

20

24

28

ModuleZellen Minimodule W

irkun

gsgr

ad [%

]

Zell- oder Modulgröße [cm²]

Theoretisches Limit

Es gibt Konzepte/Ideen das theoretische Limit zu überwinden, z.B. Multispektralzellen

- 7 -

Von der Grundlagenforschung zur Serienreife

- 8 -

Impulse aus der Grundlagenforschung in die ProduktionSi-Dünnschichttechnik (1/2)

4

6

8

400

500

600

700

10

15

20

0.6 0.8 1.0

50

60

70

0.6 0.8 1.0

a-Si

a-Si

a-Si

a-Si

µc-Siη(%

)

µc-Si

µc-Si

µc-Si

V OC

(mV)

JS

C (mA/cm

2)FF (%

)

[SiH4]/[SiH4+H2] (%)[SiH4]/[SiH4+H2] (%)

4

6

8

400

500

600

700

10

15

20

0.6 0.8 1.0

50

60

70

0.6 0.8 1.0

a-Si

a-Si

a-Si

a-Si

µc-Siη(%

)

µc-Si

µc-Si

µc-Si

V OC

(mV)

JS

C (mA/cm

2)FF (%

)

[SiH4]/[SiH4+H2] (%)[SiH4]/[SiH4+H2] (%)

Solarzellenparameter als Funktion der Silan-Wasserstoffmischung bei der Plasmadeposition Steigerung des Wirkungsgrades

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Impulse aus der Grundlagenforschung in die ProduktionSi-Dünnschichttechnik (2/2)

Optimierung der Oberflächenstruktur ermöglicht Verbesserung der Stromsammlung

400 600 800 10000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

wavelength (nm)

quan

tum

effic

ienc

y

2 µm low Al content1 µm low Al content1 µm rf standard1 µm rf smooth

15,623,0

24,326,8

I (mA/cm2)

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Phasen detektiert mittels in-situ Röntgenbeugungsspektren

1-In2-CuIn23-Cu:Ga4-Cu11In95-Cu9(In,Ga)46-CuInS27-CuIn5S88-Cu:Ga9-CuGaS210-CuS

[ Mainz, Klenk, Lux-Steiner, Thin Solid Films 515 (2007) 5934]

Schichtstapel b) (T, S Einfluss)Schichtstapel a)

Impulse aus der Grundlagenforschung in die ProduktionCu(In,Ga)S2: Phasenbildung bei der Sulfurisierung von

In/Cu:Ga- und Cu:Ga/In-Vorläuferschichten

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Impulse aus der Grundlagenforschung in die ProduktionElektronenmikroskopische Aufnahme einer Bruchkante

einer CIS-Schicht

Beschichtung mittels simultaner Verdampfung im Durchlaufverfahrena) Bisheriges Standardverfahrenb) Verbessertes Wachstum mit weniger Defekten

Steigerung des Wirkungsgrades um ca. 2% (absolut)

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Entwicklung Cd-freier Pufferschichten

60 nmCuInS2

ZnO

CBD-Zn(S,O)

Zn(S,O)-Puffer(Chemische Badabscheidung)

Punktkontakt-Anteil an Gesamtfläche für CIS: 20%Erhöhung von Leerlaufspannung & Wirkungsgrad:

∆η∆η(CIS) (CIS) ≈≈ +10 %+10 %

≈ 2 µm

≈ 1 µmp

≈

2 µmNeuer Ansatz: Punktkontaktkonzept selbstorganisiert

Heterogene (ZnS,In2S3)-Puffer (Zyklisches ILGAR-Verfahren)

[Allsop et al. , MRS 2007 ]

Herstellungs-Temperatur (ºC)W

irkun

gsgr

ad (%

)

• Mittelwert auf einem Substratx Maximal-Wert auf einem Substrat

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Impulse aus der Grundlagenforschung in die ProduktionCIS-Minimodule mit verbessertem Frontkontakt

300 400 500 600 700 800 900 1000 11000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Qua

ntum

effi

cien

cy

Wavelength (nm)

ZnS buffer, jSC=32,1 mA/cm2

CdS buffer, jSC=28,5 mA/cm2

Neue Frontkontakte (ZnS) in CIS Zellen: verbesserte Stromsammlung (im Bereich 300 bis 500 nm)Kleinmodule (10x10cm2) mit 15,8% Wirkungsgrad

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Zusammenfassung

• Die Früchte der Forschung (ermöglicht durch kontinuierliche Forschungsföderung) können heute geerntet werden:

- Dünnschichttechnik und Equipment „Made in Germany“- Marktreife Produkte

• Beispiele hierfür sind: a-Si/µc-Si- und CIS-Technik

- Verbessertes Wachstum der Halbleiter (Methoden)- Verbesserte Stromsammlung (ZnO, ZnS)- Innovative Ansätze: Punktkontakte in CIS Zellen

• Eine weitere Verbesserung im physikalischen Sinn und das Halten des Vorsprungs Dünnschichttechnik „Made in Germany“ bedarf

Systematischer technisch ausgerichteter Forschung in den Grundlagen der Materialen und der physikalischen Wandlungsprozesse.

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Ausblick

• Ziel: 15% - 18% Modulwirkungsgrad durch

- Optimierung der Lichteinkopplung durch Verbesserung der Kontaktschichten (TCO)

- Verständnis des Zusammenspiels von Präparationsparametern und Volumen- und Grenzflächeneigenschaften

- Entwicklung von Mehrfachzellen

Produktionskosten in 2013 bis 2020*

* Quelle: W. Sinke et. Al, Strategic Research Agenda der EC

a-Si/µc-Si CIS

< 0,7 €/Wp < 0,8 €/Wp

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Danksagung

Die Arbeiten wurden gefördert vom

• Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF)

• Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie und Arbeit (BMWA)

• Ministerium für Umwelt und Reaktorsicherheit (BMU)

• Europäische Kommission

• Wirtschaftsministerium und Energiestiftung Baden-Württemberg