Photovoltaik

1. Photovoltaik Vorlesung in den Studiengängen EVS/TGA SS 2006 Dr. Karl Molter FH Trier Technologie - Anlagentechnik - Anwendung

2. Inhalt • Kurze Physik der Solarzelle • Photovoltaik-Technologien • Photovoltaik Anlagentechnik • Photovoltaik: Gebäudeintegration REND Dr. Karl Molter

3. 1. Kurze Physik der Solarzelle • Der photovoltaische Effekt und die Solarzelle • Ladungstrennung: Der p/n-Übergang • Solarzellen-Kennlinien REND Dr. Karl Molter

4. Historie • 1839: Entdeckung des lichtelektrischen Effekts durch Bequerel • 1873: Entdeckung des fotoelektrischen Effekts bei Selen • 1954: Erste Silizium Solarzelle im Zuge der Entwicklung der Halbleitertechnologie ( = 5 %) REND Dr. Karl Molter

5. h • Absorption von Licht im Festkörper • Erzeugung freier Ladungsträger + • Wirksame Trennung der Ladungsträger - Der photovoltaische Effektund die Solarzelle Ergebnis: verschleißlose Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung von Solarstrahlung REND Dr. Karl Molter

6. • • • • • • • • Energiezustände in Festkörpern:Bänderschema Atom Molekül Energieniveaus REND Dr. Karl Molter

7. Energiezustände in Festkörpern:Isolator Elektronenenergie Leitungsband Bandlücke EG (> 5 eV) Fermi- niveau EF Valenzband REND Dr. Karl Molter

8. Begriffe: Ferminiveau EF: Grenze zwischen besetzten und unbesetzten Niveaus bei T = 0 K; Valenzband: höchstes Energieband unterhalb des Ferminiveaus, bei T = 0 K voll besetzt, die Elektronen sind örtlich fest gebunden Leitungsband: nächsthöheres Energieband, die Elektronen sind delokalisiert; Bandlücke EG:Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband REND Dr. Karl Molter

9. Energiezustände in Festkörpern:Metall/Leiter Elektronenenergie Fermi- niveau EF Leitungsband REND Dr. Karl Molter

10. Energiezustände in Festkörpern:Halbleiter Elektronenenergie Leitungsband Bandlücke EG ( 0,5 – 2 eV) Fermi- niveau EF Valenzband REND Dr. Karl Molter

11. Elektronenenergie Beim absoluten Nullpunkt nehmen alle Elektronen den niedrigst möglichen Energiezustand an. Sie können nun zwei Arten von Energie aufnehmen: • Thermische Energie kT (k = Boltzmannkonstante, 1.381x10-23 J/K, T = absolute Temperatur in Kelvin) • Lichtquanten h (h = Plancksches Wirkungsquantum, 6.626x10-34 Js,  = Frequenz des Lichtquants in s-1. Wenn der aufgenommene Energiebetrag reicht, können die Elektronen die Bandlücke überwinden und vom Valenzband in das Leitungsband gelangen: REND Dr. Karl Molter

12. x h h x Generation Rekombination + + - - Energiezustände in Festkörpern:Energieaufnahme / -abgabe Elektronenenergie Leitungsband EF Valenzband REND Dr. Karl Molter

13. Energiezustände in Festkörpernphysikalische Eigenschaften: Thermisch: Je größer die Bandlücke, desto geringer die Leitfähigkeit. Mit steigender Temperatur sinkt der elektrische Widerstand (Heißleiter) Optisch: Je größer die Bandlücke, desto geringer ist die Absorption von Lichtquanten (farbiges oder transparentes Material). Mit steigender Beleuchtung sinkt der elektrische Widerstand (Photowiderstand) REND Dr. Karl Molter

14. IIIB IVB VB Si B P 14 5 15 Halbleiter Zur Schaffung einer internen Barriere, die eine Trennung positiver und negativer Ladungsträger ermöglicht und die Rekombination verhindert, greift man auf das Prinzip der Dotierung von Halbleitern zurück: Unter Dotierung versteht man die Substitution von Gitteratomen des Kristalls durch Fremdatome mit anderer Wertigkeit. Das Halbleitermaterial ist i.A. vierwertig (z.B. Silizium). Dotiert wird beispielsweise mit Bor oder Phosphor: REND Dr. Karl Molter

15. Bandschema Leitungsband Freie Elektronen P+ P+ P+ P+ P+ P+ EF Si Si Si Si Si Si Si Si Si Donator Niveau Valenzband - - - - - - - N - Dotierung Kristall n-leitendes Silizium REND Dr. Karl Molter

16. Bandschema Leitungsband B- Si Si Si Si Si Si Si Si Si EF Akzeptor Niveau B- B- B- B- B- „Freie“ Löcher + + + + + + + Valenzband P - Dotierung Kristall p-leitendes Silizium REND Dr. Karl Molter

17. Raumladungs- oder Feldzone Diffusion Ud EF P+ P+ P+ P+ P+ B- B- B- B- B- + + + + + + Diffusion p - Gebiet Ed - + n - Gebiet Diffusionsspannung - - - - - - Der unbeleuchtete p/n-Übergang Bandschema REND Dr. Karl Molter

18. E = h Photostrom + + + + + + - Der beleuchtete p/n-Übergang Bandschema (Absorption im p-Gebiet) Raumladungs- oder Feldzone - - - - - Ud EF P+ P+ P+ P+ P+ B- B- B- B- B- Ed p - Gebiet - + n - Gebiet Diffusionsspannung REND Dr. Karl Molter

19. h + + + + + + + + + + + + + p-Silizium + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - Diffusion E elektrisches Feld + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - n-Silizium - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Raumladungszone - - - - - - - - - - - - - Der beleuchtete p/n – ÜbergangKristall REND Dr. Karl Molter

20. Vorderseitenkontakt - hn Antireflex- Beschichtung n-Gebiet p-Gebiet ~0,2µm + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - ~300µm Raumladungszone metallisierte Rückseite Aufbau einer Si Solarzelle REND Dr. Karl Molter

21. ISG IL IPH RS ID Strom- quelle RP RL USG UL UD Ersatzschaltbild einer Solarzelle IPH: Photostrom der Solarzelle ID /UD: Strom und Spannung an der internen p-n Diode RP: paralleler Verlustwiderstand aufgrund Oberflächenin- homogenitäten und Verlustströmen an den Kanten der Solarzelle RS: serieller Verlustwiderstand aufgrund des Bahnwiderstands der Siliziumscheibe, der Kontakte und Anschlüsse ISG/USG: Solargeneratorstrom und -spannung RL/IL/UL: Lastwiderstand, Spannung und Strom Es gilt: ISG = IL, USG = UL REND Dr. Karl Molter

22. ID Diodenkennlinie ID ISG UD=USG UD RL RL=  RL=0 MPP ISG / PSG Lastwiderstand ISG = I0 = IK Solargenerator- kennlinie ID IMPP Leistung MPP = Maximum Power Point USG UMPP U0 Idealisierte Kennlinie einer Solarzelle vereinfachtes Schaltbild REND Dr. Karl Molter

23. charakteristische Eigenschaften einer Solarzelle • Kurzschlußstrom ISC, I0 oder IK: • In weiten Grenzen proportional zur Einstrahlung • Steigt um ca. 0,07% pro Kelvin Temperaturanstieg. • Leerlaufspannung U0, UOC oder VOC: • Entspricht Spannung über interner Diode • Steigt rasch mit zunehmender Einstrahlung • typische Werte für Si: 0,5...0,9V • Sinkt um ca. 0,4% pro Kelvin Temperaturanstieg. REND Dr. Karl Molter

24. charakteristische Eigenschaften einer Solarzelle • Leistung (MPP, Maximum Power Point) • UMPP» (0,75 ... 0,9) UOC • IMPP» (0,85 ... 0,95) ISC • Die Leistung sinkt um ca. 0,4% pro Kelvin Temperaturanstieg • Die Nennleistung einer Solarzelle wird bei international festgelegten Testbedingungen(G0 = 1000 W/m2, TZelle = 25°C, AM 1,5) gemessen und in WP (Watt peak) angegeben. REND Dr. Karl Molter

25. charakteristische Eigenschaften einer Solarzelle • Der Füllfaktor (FF) einer Solarzelle ist definiert aus dem Quotienten von PMPP und dem Produkt aus Kurzschlussstrom IK und Leerlaufspannung U0 • FF = PMPP / U0 IK • Der Wirkungsgradeiner Solarzelle ist das Verhältnis der auf die Vorderseite auftreffenden Strahlungsleistung AGG,g zur von der Zelle abgegebenen elektrischen Leistung PMPP: = PMPP / AGG,g REND Dr. Karl Molter

26. P = 0,88W, (0,18) P = 1,05W, (0,26) P = 1,00W, (0,18) Solarzellen Kennlinien (cSi) REND Dr. Karl Molter

27. Kennlinienfeld einer Solarzelle REND Dr. Karl Molter

28. 2. Photovoltaik-Technologien • Ausgangsmaterialien • Technologien • Marktanteile und Marktentwicklung REND Dr. Karl Molter

29. Silizium (Si) IB IIB IIIB IVB VB VIB Germanium (Ge) Gallium-Arsenid (GaAs) Al Si P 13 14 15 Ga 31 Ga Ge As 31 32 33 Cadmium-Tellurid (CdTe) Indium-Phosphor (InP) In Cd Te Sb 49 52 48 51 Se Cu 29 34 In 49 Aluminium-Antimon (AlSb) Kupfer, Indium, Gallium, Selen (CIS) Ausgangsmaterialien Definition eines Halbleiters:Ausschlaggebend ist die Elektronenkonfiguration im Festkörper Ausschnitt aus der Periodentafel REND Dr. Karl Molter

30. Wirkungsgrade verschiedener Solarzellentypen(Theorie / Labor) REND Dr. Karl Molter

31. Technologische Bewertungskriterien • Ein gutes Potenzial für einen hohen Wirkungsgrad • Verfügbarkeit der benötigten Materialien • Akzeptable Preise für die Materialien • Potential für kostengünstige Herstellungsverfahren • Stabilität der Eigenschaften über Jahrzehnte • Umweltverträglichkeit der Materialien und Herstellungsverfahren REND Dr. Karl Molter

32. Bewertung Monokristallines Silizium: • Produktionswirkungsgrad 15 - 18% (>23% im Labor) • großer Materialeinsatz nötig • Preis für Rohsilizium schwankend • ausgereifte Herstellungsverfahren,aber energieintensiv, Verbilligung durch EFG und Bänder-Technologie • Hohe Langzeitstabilität • Material umweltverträglich • z.Zt. zweitgrößter Marktanteil REND Dr. Karl Molter

33. Bewertung Multikristallines Silizium: • Produktionswirkungsgrad 12 - 14% • großer Materialeinsatz nötig • Preis für Rohsilizium schwankend • ausgereifte Herstellungsverfahren,weniger energieintensiv als mono-Si • Hohe Langzeitstabilität • Material umweltverträglich • z.Zt. größter Marktanteil REND Dr. Karl Molter

34. Bewertung amorphes Silizium (a-Si): • Produktionswirkungsgrad 6 – 8% • Dünnschichttechnologie (<1µm), geringer Materialbedarf • Preis für Rohsilizium schwankend • Ausgereiftes, kostengünstiges Herstellungsverfahren • garantierte Langzeitstabilität nur für Wirkungsgrade von 4 – 6% • Material umweltverträglich REND Dr. Karl Molter

35. Bewertung Kupfer, Indium, Diselenid (CIS) • Produktionswirkungsgrade 11 – 14% • Dünnschichttechnologie (<1µm), geringer Materialbedarf • Herstellung grossflächiger Module in einem Schritt • gute Langzeitstabilität • Materialien nicht unbedenklich (Se, geringe Mengen Cd) REND Dr. Karl Molter

36. Bewertung GaAs, CdTe und andere • Produktionswirkungsgrade teils bis 18% • Relativ exotische Ausgangsmaterialien • Teils sehr hohe Materialpreise • Herstellungsverfahren in vielen Fällen noch nicht grosserientauglich • Langzeitstabilität noch nicht umfassend getestet • Materialien nicht unbedenklich (insbesondere As, Cd) REND Dr. Karl Molter

37. SiO2 + 2C = Si + 2CO Herstellungsverfahren 1. Silizium Wafertechnologie (mono- oder multikristallin) Reinstsilicium99.999999999% Schmelzen / Kritallisieren Vorkommen: Siliziumoxid (SiO2) = Quarzsand Säulenherstellung Mechanisches Schneiden Dicke ca. 300µm Minimale Dicke: ca. 100µm Scheibenherstellung Typische Wafergrösse: 10 x 10 cm2 Link zu Herstellerfirmen Silizium Wafer Scheibenreinigung Qualitätskontrolle Wafer REND Dr. Karl Molter

38. Herstellungsverfahrenmono- oder multikristallines Si REND Dr. Karl Molter

39. Herstellungsverfahren Silizium Band-Ziehverfahren EFG: Edge-definded Film-fed Growth Weniger energieintensiv als Kristallziehverfahren Dicke: ca. 100µm Weniger Si Abfall, da kein Sägen notwendig REND Dr. Karl Molter

40. Herstellungsverfahren Dünnschichtverfahren (CIS, CdTe, a:Si, ... ) Halbleitermaterialien werden grossflächig aufgedampt Dicke: ca. 1µm Flexible Unterlage möglich Weniger energieintensiv als Si Verfahren Geringer Materialverbrauch Typische Produktionsgrösse:1 x 1 m2 CIS Module REND Dr. Karl Molter

41. Entwicklungstrends • Dünnschichttechnologie • Geringer Materialverbrauch • Flexible Zellen • Fertigung großflächiger Module in einem Schritt • Wirkungsgradverbesserung • Tandemzellen zur besseren Ausnutzung des Sonnenspektrums • Light Trapping, Verbesserung der Absorptionseigenschaften • Transparente Kontaktierung • Beidseitig nutzbare Zellen (bifacial cells) REND Dr. Karl Molter

42. Tandem-zelle Schema einer Multispektralzelle auf der Basis der Chalkopyrite Cu(In,Ga)(S,Se)2 REND Dr. Karl Molter

43. Dünner Si-Wafer REND Dr. Karl Molter

44. Energierückzahlzeit(energy payback time (EPBT) REND Dr. Karl Molter

45. Marktanteile REND Dr. Karl Molter

46. Solarzellen-Hersteller REND Dr. Karl Molter

47. Weltweit installiert PV-Leistung REND Dr. Karl Molter

48. In Deutschland installierte PV-Leistung REND Dr. Karl Molter

49. Stand Ende 2003 Kosten PV-ModuleLernkurve: Kosten pro Wp über kumulierter produzierter Leistung REND Dr. Karl Molter

50. 3. PV Anlagentechnik • PV Systemtechnik • Strahlungsangebot • Erträge • Baurechtliche Aspekte REND Dr. Karl Molter