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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
Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien
kommerzielle Wirkungsgrade: mono-Si: (14-17 %)multi-Si: (13-15 %)amorph: (5-8 %) Quelle: Luther
Kostenaufteilung bei einer Solarzelle
Quelle: Luther, FhG ISE
Die verschiedenen Schritte auf dem Wege zur Si-Wafer
„Feuerstein“(SiO2)
- Herstellung von metallurgischem Silizium
- Refraktionierung (Siemens-Verfahren)
- Herstellung von hochreinem Poly-Si-Material
- Kristallzucht
Si-Wafer- Schneiden von Wafern
Silizium-Reinheitsgrad SGS
MGS-Material (metallurgical grade silicon): 98% Reinheit ( 1: 10-2 ) nach Reduktion aus SiO2, als Si-Granulat für150 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-Silizium600 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 Kohlenstoffwerden in feingemahlenerForm in Graphittiegel eingebracht
Lichtbogen erzeugt Schmelze
Reduktion von Silizium(SiO2 + 2C → Si + 2CO)
flüssiges Si kann abgezapft werden
Dank an Prof. Werner, IPE Uni Stuttgart für dieJHW-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
Trennung von Verunreinigungen
Verunreinigungsgrad < 10-12
3. Herstellung von polykristallinem Si
Gereinigtes Trichlorsilan wird mit H2in Reaktor geleitet
Reduktion von SiHCl3 an heißem Si-Stab
(4 SiHCl3 + 2H2→ 3Si +SiCl4+8HCl)
Wachstum von hochreinen Si-Stäben
„Siemens-Prozeß“(Spenke et al. 1953-1956)
4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren
-für gute Transporteigenschaften isteinkristallines Material erforderlich
Bruchstücke von poly-Si werden unter Schutzgas aufgeschmolzen
(TS=1415 °C)
Eintauchen eines einkristallinen Keims
einkristallines Wachstum unterZieh- und Drehbewegungen
Wachstum von einkristallinen Stäben
-Dotierung möglich durch Zugabe von hochdotierten Si-Stücken
-Sauerstoffeinbau war lange Zeit ein Problem (Nichtstrahlende Rekombination)
4. Einkristallwachstum: a) Czochralski-Verfahren
-für gute Transporteigenschaften isteinkristallines Material erforderlich
Bruchstücke von poly-Si werden unter Schutzgas aufgeschmolzen
(TS=1415 °C)
Eintauchen eines einkristallinen Keims
einkristallines Wachstum unterZieh- und Drehbewegungen
Wachstum von einkristallinen Stäben
(Foto: Wacker Siltronic Burghausen)
-Dotierung möglich durch Zugabe von hochdotierten Si-Stücken
-Sauerstoffeinbau war lange Zeit ein Problem (Nichtstrahlende Rekombination)
4. Einkristallwachstum: b) Zonenziehverfahren
poly-Si-Stab wird abschnittsweise durchInduktionsheizung aufgeschmolzen
Verunreinigungen haben höhere Löslichkeitin flüssiger Phase → Reinigung
beim Abkühlen erfolgt einkristallines Wachstum
an poly-Si-Stab wird einkristallinerKeim angeschmolzen
- Dotierung in Anwesenheit von Dotiergasen
- bessere Kristalle, aber teurer
5. Herstellung von Wafern
Innenlochsäge
-200-400 µm Dicke- 50 % Sägeverluste
-in beiden Fällen diamantbesetztesSägemedium Drahtschleiftechnik
- dünnere Wafer möglich
Energiebedarf bei Waferproduktion
Modul: 50 Wp
- Energierücklaufzeiten von 6-8 Jahren
Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien
kommerzielle Wirkungsgrade: mono-Si: (14-17 %)multi-Si: (13-15 %)amorph: (5-8 %)
Quelle: Luther
Herstellung von poly(multi)kristallinem Silizium
kontrollierte Abkühlung sorgt für kolumnare Strukturen
geschmolzenes Si wird in Graphittiegelgegossen
Zersägen in viereckige Scheiben
Herstellung von poly(multi)kristallinem Siliziumzellen
kontrolliertes Abkühlen von unten nach oben
"solar grade" Silizium / SGS geschmolzenes Silizium
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
kommerzielle Wirkungsgrade: mono-Si: (14-17 %)multi-Si: (13-15 %)amorph: (5-8 %)
Quelle: Sarasinstudie
Schicht- und Bandsilizium (Folienmaterialien)0,28 mm
geschmolzenes Silizium
Graphit-Kapillare
Prinzip:
Bänder und Wafer werden durch Laser getrennt.
0,28 mm
Prinzip:
Edge defined film growth (EFG-Verfahren)
-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
-Elektronen als Minoritätsladungsträger im p-Bereichweisen eine größere Diffusionslänge auf
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
Eindiffusion bei hohen Temperaturen
Einbau auf Si-Gitterplatz alsDonator
Solarzellentechnologie
-Trockenätzen der Kanten- Naßätzen des Glases
- Siebdruck der Metallkontakte
Solarzellentechnologie
Siebdrucken zur Metallisierung+ geringer Investitionsaufwand (keine Vakuumtechnik)
+ Automatisierbarkeit des Verfahrens
- Metall (Ag für Frontkontakt, Al für Rückkontakt) als einige µm großePartikel
- Bleioxid, Blei(Zink)-Bor-Silikate, Bindemittel
- Aufbringen durch Siebdruck
- Sintern der Schicht bei ca. 600 °C
- Si-Schicht wird angelöst
- beim Abkühlen entsteht rekristallisierte Si-Schicht mit hohen Ag-Anteil
Siebdrucken
- für Rückseitenkontakt wird Al (dreiwertig) verwendet- wird bei 800 °C einlegiert und ergibt damit eine p+ Dotierung
- Erzeugung des Back-Surface-Feldes
Siebdrucken: AR-Schicht
-Siebdrucken funktioniert auch für die Antireflexschicht:
Verwendung einer Paste mit TiO2 (Brechungsindex 1.9..2.3)
→ auch ohne einen interferometrischen Effekt (λ/4-Schicht) ergibtsich eine Reduktion der Reflexionsverluste:
2 21 2
/1 2
1 4 36%1 4Luft Si
n nRn n− −
= = =+ +
direkter Übergang Luft/Si:
2 2 2 2/ 0 / / / /
2 2 2
(1 )
1 2 1 2 2 41 21%1 2 1 2 2 4
Luft Ti Si Luft TiO Luft TiO TiO SiR R R R= + − =
− − −+ − ≈ + + +
Zweistufiger Übergang Luft/TiO2/Si:
Hochvakuum-Aufdampftechnologie
-AR-Schichten(λ/4-Schichten)
- Metallschichten
Technologie bei hocheffizienten Zellen
- Passivierung durch Oxidationstechnologie
- Herstellung der Punktkontakte durch Photolithographie
- Texturierung der Oberfläche
Oxidationstechnologie
Trockene Oxidation:
(Si + O2 → SiO2)
Feuchte Oxidation:
(2Si + O2 +2H2O → 2SiO2+2H2)
-SiO2-Wachstum wird im Laufe des Prozesses verlangsamt, daSauerstoff 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
Texturierung der Oberfläche: Anisotropes Nassätzen mit KOH
-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
25 %-Zelle (U of New South Wales, Australien)
-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
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