Vorlesung Solarenergie: Terminplanung

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Vorlesung Solarenergie: Terminplanung Vorlesung Nr. Termin Thema Dozent 1 Di. 24.10.06 Wirtschaftliche Aspekte/Energiequelle Sonne Lemmer/Heering 2 Di. 31.10.06 Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer 3 Fr. 03.11.06 Kristalline pn-Solarzellen Heering Di. 07.11.06 Lichttechnik-Tage "Automobile Licht- und Displaytechnik" in Karlsruhe 4 Fr. 10.11.06 Elektrische Eigenschaften Heering 5 Di. 14.11.06 Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer 6 Di. 21.11.06 Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer 7 Fr. 24.11.06 Anorganische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 8 Di. 28.11.06 Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 9 Di. 05.12.06 Third Generation Photovoltaics Lemmer 10 Fr. 08.12.06 Photovoltaische Systeme I Heering 11 Di. 12.12.06 Photovoltaische Systeme II Heering 12 Di. 19.12.06 Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien 13 Di. 09.01.07 Passive Sonnenenergienutzung Heering 14 Di. 16.01.07 Solarthermische Kraftwerke Lemmer 15 Di. 23.01.07 Energiespeicher/Solarchemie Heering 16 Di. 30.01.07 Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering 17 Di. 06.02.07 Energieszenarien Lemmer Di. 13.02. 07 Exkursion Heering/Lemmer

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Kein FolientitelLemmer/Heering
und Displaytechnik" in Karlsruhe
4 Fr. 10.11.06 Elektrische Eigenschaften Heering 5 Di. 14.11.06 Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer 6 Di. 21.11.06 Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer 7 Fr. 24.11.06 Anorganische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 8 Di. 28.11.06 Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 9 Di. 05.12.06 Third Generation Photovoltaics Lemmer 10 Fr. 08.12.06 Photovoltaische Systeme I Heering 11 Di. 12.12.06 Photovoltaische Systeme II Heering 12 Di. 19.12.06 Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien
13 Di. 09.01.07 Passive Sonnenenergienutzung Heering 14 Di. 16.01.07 Solarthermische Kraftwerke Lemmer 15 Di. 23.01.07 Energiespeicher/Solarchemie Heering 16 Di. 30.01.07 Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering 17 Di. 06.02.07 Energieszenarien Lemmer
Di. 13.02. 07 Exkursion Heering/Lemmer
Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien
Kostenaufteilung bei einer Solarzelle
Quelle: Luther, FhG ISE
„Feuerstein“ (SiO2)
Silizium-Reinheitsgrad SGS
MGS-Material (metallurgical grade silicon): 98% Reinheit ( 1: 10-2 ) nach Reduktion aus SiO2, als Si-Granulat für 150 kWh/ kg: Gesamtmenge > 106 t/Jahr für Verfahrenstechnik
SGS-Material (solar grade silicon): „5 Neunen“ 99,999 % Reinheit ( 1:10-5) + kolumnar erstarrt als Blockguss-Silizium 600 kWh / kg SGS-Silizium; insges. ca. 24*103 t/Jahr für Solarzellen
EGS-Material (electronic grade silicon): „7 Neunen“ 99,999.99 % Reinheit ( 1:10-7 ) nach Fraktionierter Destillation von Chlorsilanen + Tiegelziehen von CZ-Kristallen: 1000 kWh /kg EGS-Silizium; 25*103 t/Jahr für Mikroelektronik-Chips
Quelle: Prof. Wagemann, TU Berlin
1. Herstellung von metallurgischem Si
SiO2 (Quarz) und Kohlenstoff werden in feingemahlener Form in Graphittiegel eingebracht
Lichtbogen erzeugt Schmelze
flüssiges Si kann abgezapft werden
Dank an Prof. Werner, IPE Uni Stuttgart für die JHW-Bilder !
- Reinheit noch nicht ausreichend (noch kein „electronic grade“)- brutal energieaufwändig (140 kwh/kg)
2. Refraktionierung
feingemahlenes metallurgisches Si wird in einem Wirbelsinterofen gasförmigem Chlorwasserstoff ausgesetzt
Si+3HCl →SiHCl3+H2 (exotherme Reaktion zu Trichlorsilan (TSiede=30°C))
mehrstufige Destillation
Gereinigtes Trichlorsilan wird mit H2 in Reaktor geleitet
Reduktion von SiHCl3 an heißem Si-Stab
(4 SiHCl3 + 2H2→ 3Si +SiCl4+8HCl)
Wachstum von hochreinen Si-Stäben
4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren
(TS=1415 °C)
Wachstum von einkristallinen Stäben
-Sauerstoffeinbau war lange Zeit ein Problem (Nichtstrahlende Rekombination)
4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren
(TS=1415 °C)
Wachstum von einkristallinen Stäben
(Foto: Wacker Siltronic Burghausen)
-Sauerstoffeinbau war lange Zeit ein Problem (Nichtstrahlende Rekombination)
4. Einkristallwachstum: b) Zonenziehverfahren
Verunreinigungen haben höhere Löslichkeit in flüssiger Phase → Reinigung
beim Abkühlen erfolgt einkristallines Wachstum
an poly-Si-Stab wird einkristalliner Keim angeschmolzen
- Dotierung in Anwesenheit von Dotiergasen
- bessere Kristalle, aber teurer
5. Herstellung von Wafern
-in beiden Fällen diamantbesetztes Sägemedium Drahtschleiftechnik
- dünnere Wafer möglich
Energiebedarf bei Waferproduktion
Modul: 50 Wp
Quelle: Luther
Zersägen in viereckige Scheiben
Herstellung von poly(multi)kristallinem Siliziumzellen
kolumnares Kristallit-Wachstum von unten nach oben Bildung eines poly-kristallinen Silizium-Blockes
Zersägen in Blöcke Drahtsägen in Wafer Silizium-Wafer
Herstellung von poly-kristallinen Silizium-Wafern aus Blöcken (Quellen: C.Gerhards, Dissertation, Konstanz 2002,
U.Kindereit, Studienarbeit, Berlin 2004)
Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien
Quelle: Sarasinstudie
geschmolzenes Silizium
Graphit- Kapillare
0,28 mm
-geschmolzenes Silizium wird über Kapillarkräfte direkt in der richtigen Dicke gezogen
-Sägen entfällt - Probleme aufgrund zahlreicher Defekte
Von der Scheibe zur Solarzelle
- Ausgangspunkt: p (Bor)-dotierte Si-Wafer
Eindiffusion des Emitterkontaktes
Phosphin (PH) bzw. Phosphoroxychlorid (POCl3) wird an die heiße Si-Oberfläche gebracht
Reaktion zu P2O5 → dient als Diffusionsquelle an der Oberfläche
Diffusionstechnologie
Solarzellentechnologie
- Siebdruck der Metallkontakte
+ Automatisierbarkeit des Verfahrens
- Metall (Ag für Frontkontakt, Al für Rückkontakt) als einige µm große Partikel
- Bleioxid, Blei(Zink)-Bor-Silikate, Bindemittel
- Aufbringen durch Siebdruck
- Si-Schicht wird angelöst
Siebdrucken
- für Rückseitenkontakt wird Al (dreiwertig) verwendet - wird bei 800 °C einlegiert und ergibt damit eine p+ Dotierung
- Erzeugung des Back-Surface-Feldes
Verwendung einer Paste mit TiO2 (Brechungsindex 1.9..2.3)
→ auch ohne einen interferometrischen Effekt (λ/4-Schicht) ergibt sich eine Reduktion der Reflexionsverluste:
2 2 1 2
n nR n n − −
2 2 2
(1 )
1 2 1 2 2 41 21% 1 2 1 2 2 4
− − − + − ≈ + + +
- Texturierung der Oberfläche
(2Si + O2 +2H2O → 2SiO2+2H2)
-SiO2-Wachstum wird im Laufe des Prozesses verlangsamt, da Sauerstoff durch die frisch gewachsene Schicht hindurchdiffundieren muss
Photolithographie
Nach dem Entwickeln können entweder die belichteten oder die unbelichteten Bereiche stehenbleiben, je nach Wahl des Lacks (negativ/positiv).
Photolithographie: Lift-off-Prozess
-durch Maskierung mit SiO2 können regelmässige Pyramiden erzeugt werden
-ohne Maskierung ergeben sich willkürliche -Pyramiden
-Ätzgeschwindigkeit hängt von der Kristallrichtung ab
Texturierung der Oberfläche: Anisotropes Nassätzen mit KOH
-durch Maskierung mit SiO2 können regelmässige Pyramiden erzeugt werden
-Ätzgeschwindigkeit hängt von der Kristallrichtung ab
-ohne Maskierung ergeben sich willkürliche -Pyramiden
Texturierung der Oberfläche: Pyramiden
-extrem reines einkristallines Silizium -strukturierte Oberfläche und AR-Beschichtung -dünne Finger aus Ag -passivierte Emitterseite -emitterseitige Punktkontakte mit Hochdotierung
http://www.pv.unsw.edu.au
www.solarworld.de
2. Refraktionierung
4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren
4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren
4. Einkristallwachstum: b) Zonenziehverfahren
5. Herstellung von Wafern
Texturierung der Oberfläche: Pyramiden