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Photovoltaik
Herstellung und innovative Konzepte
Von Sebastian Illing und Nora Igel
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1. Herstellung
1.1 Siliziumproduktion
1.2 Zellenproduktion
1.2.1 Texturierung1.2.2 Dotierung1.2.3 Passivierung1.2.4 Metallisierung
2. Innovative Konzepte
2.1 Rückseitenzelle 2.2 Bifacial Zellen2.3 Konzentratorzelle2.4 Dünnschichtzellen2.5 Tandem Zellen2.6 Organische Zellen2.7 Dritte Generation
Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte
Inhaltsübersicht
2/33
02.06.08
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1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
Quelle: Bild [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik , Formel [2] 3/33
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Schmelzofen zur Herstellung von metallurgischem Silizium
Schmelzflusselektrolyse
T ≈1800°C
Reinheit : 98%
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Chemical Vapor Deposition (CVP)
Quelle: [1],[2]
1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
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Anlage zur industriellen Abscheidung von Polysilizium
Siemens Prozess
Endprodukt: Si-Stäbe
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Czochralski Verfahren
Quelle: Abb.1 [1], Abb.2 : Seilnacht Chemielexikon
1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
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Abb.1: Schematische Darstellung desEinkristallziehen nach Czochralski
Abb.2: Fertiger Si-Einkristall nach Czochralski
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Zonenziehverfahren
1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
Quelle: Abb.1: [1], Abb.2: A. Pucci, Vorlesung Festkörperphysik SS08 6/33
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Abb.1: Schematische Darstellung desZohnenziehverfahrens
Abb.2: Float-zoning
Dotierung: Phosphin, Diboran
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Herstellung von Si-Scheiben
1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
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Verwendung eines Innenloch-Sägeblatts
50% Verluste
Drahtziehtechnik
35% Verluste� 0,2 -0,4 mm dicke Scheiben
Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik
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Blockgießen
1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
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(1) Quarztiegel
(8) Graphittiegel
-Polykristallines Si
- 30x30cm²
Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik
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Folienmaterialien
1. Herstellung 1.1 Siliziumproduktion
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Edge defined Film Growth (EFG)
Silicon Sheet from Powder (SSP)
Quelle: EFG und SSP: [1] , Foto: M. Zorsch, Fraunhofer THM, Freiberg, Grundmaterialien für die Photovoltaik
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1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 10/33
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1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.2 Texturierung
Quelle: [1], [2] 11/33
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Random PyramidsInvertierte Pyramiden 20x20µm²
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1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.2 Dotierung
Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 12/33
02.06.08
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Diffusionsprozess
2. Fick‘sches Gesetz
Gauss -Verteilung
Diffusionskoeffizient
1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.2 Dotierung
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Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik
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1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.2 Dotierung
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Theoretische Kurven
Phosphorprofile bei Diffusionstemperaturen von 950°C in Abhängigkeit der Diffusionszeit
Diffusionsquelle: Phosphorsilicatglas
Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik
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1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.3 Passivierung
Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 15/33
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1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.4 Metallisierung
Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 16/33
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Siebdruckverfahren zur Aufbringung der Frontkontakte
Lift-off Verfahren
1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.4 Metallisierung
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Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik
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1. Herstellung 1.2 Zellenproduktion
1.2.4 Metallisierung
Quelle: [8] Gebr. Schmid GmbH + Co. 18/33
02.06.08
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1. Herstellung
1.1 Siliziumproduktion
1.2 Zellenproduktion
1.2.1 Texturierung1.2.2 Dotierung1.2.3 Passivierung1.2.4 Metallisierung
2. Innovative Konzepte
2.1 Rückseitenzelle 2.2 Bifacial Zellen2.3 Konzentratorzelle2.4 Dünnschichtzellen2.5 Tandem Zellen2.6 Organische Zellen2.7 Dritte Generation
Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte
Inhaltsübersicht
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Quelle: [10] Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme
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Vorteile:
-Keine Abschattungsverluste
-Metallkontakte großflächig �geringer Widerstand
-Wirkungsgrad 18.5 %
Nachteile:
-Hohe Diffusionslänge notwendig für geringe Oberflächenrekombination
-Isolierung der Kontakte notwendig
2. Innovative Konzepte 2.1 Rückseitenzellen
Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik 21/33
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Vorteile:- Beidseitige Beleuchtung- Wirkungsgrad 20% auf Rückseite
21,4% Vorderseite
Innovative Konzepte 2.2 Bifacial - Zelle
Quelle: [6] TNC - Consulting AG, [7] R. Kohlbauer GmbH, [11] FVS Themen 2003, Pfof. Dr. Rudolf Hezel
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Nachteil:- Hohe Anforderungen an Material
und Technologie
Erste Bifacial PV-Anlage in Aubruggbei Zürich (120m)
Bifacial-Zellen an der Fassade des ISFH Gebäudes
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2. Innovative Konzepte 2.3 Konzentratorzelle
Quelle:
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22/33Links: [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe / rechts: Sharp
Sharp-Konzetrator Modul:
500-fach Konzentriertes Licht � η ≈ 40%
Grundprinzip der Konzentratorzelle
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2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle
Quelle: [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe 23/33
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Vorteil: - geringer Materialaufwand � Kostenreduzierung
Idee: - Verwendung direkter Halbleiter
� nur noch dünne Schichten
Problem: - geeignetes Substrat notwendig
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2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle
2.4.1 Amorphes Silizium
24/33
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Atomistische Struktur von amorphem Silizium
Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik
Struktur einer α-Si Zelle mit intrinischer Schicht
Vorteile: - kostengünstig
- Energierücklaufzeit 2-3 Jahre
- Abscheidung auf günstiges, flexibles Substrat
Nachteil: - bescheidene Wirkungsgrade (4-8 % kommerziell)
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2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle
2.4.2 Galliumarsenid GaAs
Quelle: [1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik 25/33
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+ Bandabstand optimal (1,42eV)
+ absorbiert 90% des Lichtes in 2µm
+ hohe Wirkungsgrade (η ≈ 24%)
- Ga und As toxisch
- kostenintensiv
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Quelle: [3] FVS Themen 2003, Dr. Michael Powalla
2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle
2.4.3 Kupfer – Indium - Diselenid (CIS)
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Problem: Indium geht zur Neige
Spitzenwirkungsgrade von CIS- Solarzellen und Modulen
CIGS - Anlage auf einer Schule in Marbach a. N.
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2. Innovative Konzepte 2.4 Dünnschichtzelle
2.4.4 Kristallines Silizium
27/33Quelle: [9] CSG Solar AG
- Energierücklaufzeit 2-3 Jahre- keine toxischen Stoffe oder Schwermetalle- keine Degradation in über 30 Jahren
-Silangas wird direkt auf Glas abgeschieden(nur 1,4 µm)
- Laser trennen die Zellen- Kontakte auf Rückseite
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2. Innovative Konzepte 2.5 Tandemzelle
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Hintereinanderschalten von Zellen mit unterschiedlichem Bandabstand
� Für unendliches Tandem ergibt sich η ≈ 86%
Quelle: [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe
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2. Innovative Konzepte 2.6 Organische Solarzelle
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Polymer- Fulleren-Solarzelle auf flexiblem Substrat
Quelle: [5] Physik Journal 05/2008, [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe
- Absorption führt nicht direkt zur Anregung von freien Ladungsträgern
- Es werden Elektron-Loch Paare erzeugt
- sehr günstige Materialien
- mechanische Flexibilität �einfache Integration
- keine Entsorgungsproblematik
- Wirkungsgrad nur ca. 5%
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2. Innovative Konzepte 2.7 Dritte Generation
2.7.1 Thermo - Zelle
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Theoretischer Wirkungsgrad: η ≈ 85%Probleme: - Absorption im Interferenzfilter
- thermische Stabilität
Quelle: links: [4] Prof. Dr. Peter Würfel rechts: [2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe
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2. Innovative Konzepte 2.7 Dritte Generation 2.7.2 Up/Down Konverterzelle
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Zwei - Stufen -Absorptionsprozess
-η > 60% fürkonzentriertes Licht
- η > 45% für nicht-konzentriertes Licht
Quelle: [4] FVS Themen 2003, Prof. Dr. Peter Würfel
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Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte
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Zusammenfassung Herstellungsprozess:
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Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte
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Zusammenfassung innovative Konzepte:
In Benutzung:
- Rückseitenzelle
- Bifacialzelle
- Konzentratorzelle
- Tandemzelle
- Dünnschichtzellen
- CSG Zellen
In Entwicklung:
- Organische Zellen
Theoretische Konzepte:
- Thermozellen- Up/Down Konverter
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Photovoltaik - Herstellung und innovative Konzepte
Quellen
02.06.08
[1] A.Goetzberger, B.Voß und J.Knoblauch, Sonnenenergie: Photovoltaik, Teubner 1997
[2] Solarenergievorlesung Lichttechnisches Institut Uni Karlsruhe von 2005
[3] FVS Themen 2003, Dr. Michael Powalla: Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Verbindungshalbleitern
[4] FVS Themen 2003, Prof. Dr. Peter Würfel: Neue Solarzellenkonzepte
[5] Physik Journal 05/2008
[6] TNC Consulting (www.tnc.de)
[7] R. Kohlbauer GmbH (www.kohlbauer.com)
[8] Gebr. Schmid GmbH + Co., Automatisierte Prozessanlagen
[9] CSG Solar AG (www.csgsolar.de)
[10] Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiberg (http://www.ise.fraunhofer.de)
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