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CIS-Solarzellen

CIS-Solarzellen. Photovoltaik - Seminar Philipp Buchegger 04.07.2007. Gliederung. Motivation Geschichte Aufbau, Materialeigenschaften, Dünnschichttechnologie Wirkungsgradentwicklung Serienfertigung Bsp. Würth Solar Kostendruck, Verbesserung der Produktivitätsparameter

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Presentation Transcript

  1. CIS-Solarzellen Photovoltaik - Seminar Philipp Buchegger 04.07.2007

  2. Gliederung • Motivation • Geschichte • Aufbau, Materialeigenschaften, Dünnschichttechnologie • Wirkungsgradentwicklung • Serienfertigung Bsp. Würth Solar • Kostendruck, Verbesserung der Produktivitätsparameter • Wachstum, Leistung, Qualität, ökologischer Druck • Ausblick in die Zukunft

  3. Motivation • ~50% der Kosten Verkapselung und Modulbau • > Geringere direkte Materialkosten • Dicke <5µm, vgl. ~200µm bei Silizium • CIS ist die effizienteste Dünnschichttechnologie im Vergleich zu a-Si/µSi oder CdTe • Niedrig(st)e Kosten pro Watt Spitzenleistung • Weniger Abfallprodukte • Weniger Prozesschritte • Unabhängig von Siliziumproduktion • Hoher Automatisierungsgrad: „Roll-to-roll-Processing“

  4. Motivation Quelle: Marktplatz PV Anbieterseite Produktion von Solarmodulen

  5. Geschichte • 1953 CuInSe2 von Hahn in Stuttgart • 1954 Silizium-Gleichrichter liefert beleuchtet mehr Strom • 1974 Solarzelle aus Einkristall von Wagner in Bell Labs. • 1984 CIS/CdS 10% Wirkungsgrad von Mickelson und Chen, Boeing • 1987 14,1% Wirkungsgradrekord • 1998 ZSW Modulwirkungsgrad >12% • 1998 Erstes CIS-Modul von Siemens Solar • 1999 Gründung von Würth Solar

  6. Aufbau

  7. Aufbau Monolithische Verschaltung der Zellen: Draufsicht Seitenansicht

  8. Materialeigenschaften • Cu(In,Ga,Al)(Se,S)2 kristallisiert in Chalkopyritstruktur (Abwandlung der kubischen Zinkblende) • Halbleiter der I-III-VI2-Familie haben hohe Lichtabsorption • Bandabstand kann von 1,04eV (CuInSe2) bis 2,7eV (CuAlS2) variiert werden • Primär Cu(In,Ga)Se2 und CuInS2 von industriellem Interesse

  9. Materialeigenschaften

  10. Materialeigenschaften Numerisch berechneter Verlauf von Valenz- und Leitungsbändern

  11. Herstellungsverfahren • Kontaktschichten Mo und ZnO: • Kathodenzerstäubung (Sputtern): • Argonatmosphäre • Bei intrinsischem ZnO mit RF-Plasma 5nm/s, bei ZnO:Al mit DC-Plasma 70nm/s • Substrattemperatur 20-300°C • Gute Widerstandshomogenität: 8,5±0,16Ω (1,9%)

  12. MOCVD-Verfahren • Metallorganische Gasphasenabscheidung • 20-1000hPa => preiswert • Abscheidezeit ca. 3 min • Große Menge an Fremdatomen

  13. Pufferschicht • Schutz vor Sputterschäden • CdS (ZnS, ZnSe) Pufferschicht wird bei einer Substrattemperatur von 60°C in einem chemischen Bad auf den Absorber abgeschieden. Zuvor wird die CuS Sekundärphase in einer 10%igen KCN-Lösung entfernt • In2S3 Pufferschicht mit ALD (0.5nm/min) Oder mit Sputtern (20nm/min)

  14. Herstellungsverfahren • CIS-Halbleiterdeposition: • Koverdampfung bei erhöhten Beschichtungstemperaturen (ZSW,Global Star) • Cu,In,Se,S als Vorläuferschichten mit Druck- und galvanischen Verfahren, sowie Kathoden-zerstäubung (Avancis-Shell-Verfahren)

  15. Avancis-Shell-Verfahren

  16. Strukturierung durch Ritzen oder mit Laser

  17. Dünnschichttechnologie

  18. Dünnschichttechnologie

  19. Solarzellenstruktur

  20. Wirkungsgradentwicklung

  21. Würth Solar • 1988: ZSW will Erkenntnisse der Uni Stuttgart und Ulm der Grundlagenforschung in vermarktungsfähige Anwendungstechnik umsetzen • 1994: ZSW-Technikum für CIS-Solarmodule: 130m² Reinraumfläche, 25 Mitarbeiter produzieren 700cm² Module in quasi-industrieller Prozessführung • 1997: 10% Wirkungsgrad • 1998: >12% Wirkungsgrad • Firmengründung Würth Solar: Adolf Würth GmbH 79,5%, EnBW 20% und ZSW 0,5%

  22. Würth Solar „CISfab“ in Schwäbisch Hall • Investitionssumme 55 Mio. € • Grundsteinlegung Okt. 2005, Produktionsstart 4.Quartal 2006 • Jahreskapazität von 15 Megawatt bzw. 200,000 Module • 175 Vollangestellte • 500 kWp-Installation auf dem Dach

  23. Würth Solar Anwendungsbeispiele: Friedenskirche, Tübingen Rotbäumesfeld, Ludwigsburg • 216 Module • 160 m² Fläche • 13kW Nominalleistung • 10900 kWh/a • Berücksichtigung des Denkmalschutzes • 290 Module • 17kWp

  24. Fassadenintegration • ~1400 Module • 60*120cm, rahmenlos • ~100kWp • Netzeinspeisung

  25. Direkter Vergleich Quelle: Würth Solar

  26. Semitransparente Module

  27. Kostendruck • Preise fallen mittelfristig um 5% pro Jahr=> Produktionskosten müssen sinken • Dünnschichttechnologie (4µm auf Trägerplatte) • Materialsystem tolerant gegenüber Verunreinigungen und Stöchiometrieabweichungen • Aus der Architekturbeschichtung bewährte Verfahren => Kostenreduktionspotential

  28. Leistungsdruck • Begrenzte Fläche • CIS-Module haben hohes Potential, da der Wirkungsgrad noch gesteigert werden kann • Heute: 13% Modul- und 19% Solarzellwirkungsgrad • Langfristig: 18% Modul- und 25% Solarzellwirkungsgrad

  29. Qualitätsdruck • Möglichst viel Energie (kWh) • Energie = Leistung * Zeit • Lange Lebensdauer: Gewährleistung bis zu 20 Jahre • Keine Degradation, daher mit SI-Technologie vergleichbar

  30. Ökologischer Druck Die zu entwickelnde Technologie soll: • keine Ressourcenprobleme mit sich bringen • keine Widersprüche zur Kreislaufwirtschaft haben • niedrigen Energieaufwand benötigen: Energierücklaufzeit < 1 Jahr • recyclebar sein

  31. Ressourcenprobleme • Indiumvorrat weltweit: 2400 Tonnen vergesellschaftet in Zink-, Blei-, Zinn- und Kupfererzen • Produktionskapazität 300 Tonnen pro Jahr • Verbrauch 2005: 850 Tonnen • Vorbeugen: Indium-Recyclingprogramm in Japan, USA, Belgien, leider durch die prozentual geringen Mengen sehr aufwändig

  32. Zukunft • Kosten 1€/Wp • Pufferschicht ohne CdS bei selbem Wirkungsgrad • 18% Modulwirkungsgrad • 1 GWp / a Produktion • Polymerfolie als Substrat -> breiteres Anwendungsspektrum

  33. Quellen • U.Rau,H.W.Schock: Electronic properties of Cu(In,Ga)Se heterojunction solar cells – recent 2 achievements, current understanding, and future challenges • Dr. Michael Powalla - CIS-Dünnschichtsolarmodule - Von der Universität zur Solarfabrik • Dünnschicht-Photovoltaik: Technologietransfer am ZSW • Tobias Enzenhofer: Festkörperreaktionen und Diffusionsprozesse bei der schnellen Bildung von Halbleiterschichten im System Cu-In-S • FVS Workshop 2002: Einsatz von Sputter-Zinkoxid als Fensterschicht in CIGSSe-Dünnschichtsolarmodulen • Dr. Michael Powalla • Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Verbindungshalbleitern • Würth Solar / Bernhard Dimmler / presentation Uni Stgt june 06 • Joachim Reiß : Generation und Rekombination von Ladungsträgern in CuInS2-basiertenDünnschicht-Solarzellen

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