Solarzellen aus a-Si:H - LTI
Solarzellen aus a-Si:H - LTI
Solarzellen aus a-Si:H - LTI
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Übersicht über die Vorlesung Solarenergie<br />
Vorlesung Termin<br />
Nr.<br />
Thema Dozent<br />
1 Di. 24.10.06 Wirtschaftliche Aspekte/Energiequelle<br />
Sonne<br />
Lemmer/Heering<br />
2 Di. 31.10.06 Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer<br />
3 Fr. 03.11.06 Kristalline pn-<strong>Solarzellen</strong> Heering<br />
Di. 07.11.06 Lichttechnik-Tage "Automobile Lichtund<br />
Displaytechnik" in Karlsruhe<br />
4 Fr. 10.11.06 Elektrische Eigenschaften Heering<br />
5 Di. 14.11.06 Optimierung kristalliner <strong>Solarzellen</strong> Lemmer<br />
6 Di. 21.11.06 Technologie kristalliner <strong>Solarzellen</strong> Lemmer<br />
7 Fr. 24.11.06 Anorganische Dünnschichtsolarzellen Lemmer<br />
8 Di. 28.11.06 Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer<br />
9 Di. 05.12.06 Third Generation Photovoltaics Lemmer<br />
10 Fr. 08.12.06 Photovoltaische Systeme I Heering<br />
11 Di. 12.12.06 Photovoltaische Systeme II Heering<br />
12 Di. 19.12.06 Solarkollektoren<br />
Weihnachtsferien<br />
Heering<br />
13 Di. 09.01.07 Passive Sonnenenergienutzung Heering<br />
14 Di. 16.01.07 Solarthermische Kraftwerke Lemmer<br />
15 Di. 23.01.07 Energiespeicher/Solarchemie Heering<br />
16 Di. 30.01.07 Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering<br />
17 Di. 06.02.07 Energieszenarien Lemmer<br />
Di. 13.02. 07 Exkursion Heering/Lemmer<br />
7.1
7.2<br />
Nachtrag zur<br />
Energierücklaufzeit<br />
Quelle:<br />
Photon<br />
Dez. 2002
7.3<br />
Nachtrag zur<br />
Energierücklaufzeit<br />
Quelle:<br />
Photon<br />
Dez. 2002
7.4<br />
Nachtrag zur<br />
Energierücklaufzeit<br />
Quelle:<br />
Photon<br />
Dez. 2002
7.5<br />
Marktanteile der verschiedenen <strong>Solarzellen</strong>materialien
Marktentwicklung der versch. PV-Technologien<br />
7.6<br />
Quelle: Sarasinstudie
- hohe Wirkungsgrade<br />
Warum c-<strong>Si</strong> und multi-<strong>Si</strong> ?<br />
- hohe Zuverlässigkeit, hohe Langzeitstabilität (> 20 J.)<br />
- reichlich <strong>Si</strong> vorhanden<br />
- nicht toxisch<br />
7.7
Warum nicht c-<strong>Si</strong> ? Warum Dünnschicht ?<br />
-c-<strong>Si</strong> ist teuer - kostengünstigere Herstellung<br />
-c-<strong>Si</strong> wird noch teurer, wenn der<br />
Bedarf nicht mehr durch<br />
Ausschuss von EG-<strong>Si</strong> <strong>aus</strong> der<br />
Mikroelektronik gedeckt werden<br />
kann (mittlerweile passiert)<br />
-c-<strong>Si</strong> Technologie ist energieintensiv<br />
(Energierücklaufzeiten<br />
6-8 Jahre)<br />
-großer Materialaufwand, Wafer sind<br />
-zu dick<br />
- kein großflächiger Prozess<br />
- geringere Energierücklaufzeiten<br />
-Schichtdicken im nm-Bereich<br />
kontrollierbar<br />
- großflächige Deposition<br />
- monolithische Verschaltung<br />
7.8
Struktur c-<strong>Si</strong> ↔ a-<strong>Si</strong><br />
c-<strong>Si</strong>: Nah- und Fernordnung a-<strong>Si</strong>: nur Nahordnung<br />
7.9
Struktur c-<strong>Si</strong> ↔ a-<strong>Si</strong><br />
Fehlende Fernordnung hat drastische Auswirkungen auf die elektronischen<br />
Eigenschaften:<br />
- keine Periodizität → keine Bandstruktur → kein indirekter Halbleiter mehr<br />
→ Erhöhung der Absorption<br />
7.10
Elektronische Struktur von amorphem <strong>Si</strong><br />
-Variation der<br />
Bindungslängen/Bindungswinkel/<br />
Bindungsstärken<br />
→ Ausschmieren der Bandkanten,<br />
flache Störstellen<br />
-nichtabgesättigte Bindungen<br />
(dangling bonds)<br />
→Zustände in der Mitte der<br />
Bandlücke<br />
7.11
a-<strong>Si</strong>/a-<strong>Si</strong>:H<br />
7.12<br />
-bei der Abscheidung wird<br />
prozessbedingt H in den Film eingebaut<br />
(amorphe <strong>Si</strong>/H-Legierung, a-<strong>Si</strong>:H)<br />
-durch Optimierung der Wasserstoffkonzentration<br />
wird die Dichte der<br />
dangling bonds /deep traps minimiert<br />
-beste elektronische Eigenschaften für<br />
10-15 % H
Elektronische Struktur in amorphem <strong>Si</strong><br />
Beweglichkeiten c-<strong>Si</strong>: µ e=1100 cm 2 V -1 s -1 ; µ h=300 cm 2 V -1 s -1<br />
Beweglichkeiten a-<strong>Si</strong>:H: µ=2 cm 2 V -1 s -1<br />
7.13
pin-Solarzelle a-<strong>Si</strong>:H<br />
-die c-<strong>Si</strong> Solarzelle beruht<br />
auf der Diffusion von<br />
Minoritätsladungsträgern<br />
L Diff(c-<strong>Si</strong>)>200µm<br />
- L Diff(a-<strong>Si</strong>:H)≈150 nm<br />
- aber: Driftlänge ≈ 1 µm<br />
7.14<br />
-Design der Solarzelle so, dass<br />
Absorption in der RLZ<br />
- dotierte Bereiche möglichst<br />
dünn<br />
→ pin-Struktur
<strong>Solarzellen</strong> <strong>aus</strong> a-<strong>Si</strong>:H<br />
-Dotierung mittels Zugabe von B 2H 6<br />
und PH 3<br />
7.15
<strong>Solarzellen</strong> <strong>aus</strong> amorphem <strong>Si</strong>lizium<br />
Abscheidereaktoren für die Herstellung von <strong>Solarzellen</strong> <strong>aus</strong> amorphem <strong>Si</strong>lizium<br />
bei RWESchottSolar (www.schottsolar.de)<br />
7.16
<strong>Solarzellen</strong> <strong>aus</strong> a-<strong>Si</strong>:H<br />
-superstrate -substrate<br />
7.17
Legierbarkeit von a-<strong>Si</strong>/Ge/C:H: Multiple Zellen<br />
-Beimischung von GeH 4<br />
während der Abscheidung<br />
7.18
Stabilität<br />
- „Staebler-Wronski-Effekt“: licht- und ladungsträgerinduzierte Alterung durch<br />
Aufbrechen von Bindungen<br />
7.19
7.20<br />
Monolithische Verschaltung von Dünnschichtzellen
Monolithische Verschaltung<br />
a-<strong>Si</strong>:H-Solarmodul<br />
7.21
Roll to roll process (R2R)<br />
Kontinuierliche Abscheidung auf flexiblen Substraten (Stahl, Polymer)<br />
7.22<br />
www.rolltronics.com
+ kostengünstig<br />
+ Energierücklaufzeiten 2-3 J.<br />
+ <strong>aus</strong>reichend für viele Consumer-Anwendungen<br />
+ Abscheidung auf kostengünstige und flexible Substrate<br />
- bescheidene Wirkungsgrade<br />
7.23
Zwischen a-<strong>Si</strong> und c-<strong>Si</strong>: Das mikrokristalline <strong>Si</strong> (µc-<strong>Si</strong>:H)<br />
-Herstellung durch Dünnschichtprozeß (wie a-<strong>Si</strong>:H),<br />
-aber vorteilhafte Eigenschaften eines Kristalls<br />
7.24
c-<strong>Si</strong><br />
a-<strong>Si</strong>:H<br />
7.25
7.26
7.27
Tandemsolarzellen a:<strong>Si</strong>:H/µc-<strong>Si</strong>:H<br />
Wirkungsgrade 11-12 %<br />
7.28
www.csgsolar.com: Polykristalline Dünnschicht-<strong>Si</strong>lizumzellen<br />
7.29
Borosilicate Glass<br />
3mm<br />
Texture Coat Both Surfaces<br />
(Dipping)<br />
7.30
<strong>Si</strong>N<br />
Borosilicate Glass<br />
3mm<br />
Deposit Anti-Reflection Coating<br />
(PECVD)<br />
7.31
<strong>Si</strong><br />
<strong>Si</strong>N<br />
Borosilicate Glass<br />
1.5 µm<br />
3mm<br />
p+<br />
p<br />
n+<br />
Deposit <strong>Si</strong>licon Film<br />
(PECVD)<br />
7.32
<strong>Si</strong><br />
<strong>Si</strong>N<br />
Borosilicate Glass<br />
1.5 µm<br />
3mm<br />
0<br />
Crystallise <strong>Si</strong><br />
7.33
<strong>Si</strong><br />
<strong>Si</strong>N<br />
1.6 µm 0<br />
Borosilicate Glass<br />
3mm<br />
Anneal Defects<br />
7.34
<strong>Si</strong><br />
<strong>Si</strong>N<br />
Borosilicate Glass<br />
+<br />
1.5 µm<br />
3mm<br />
+<br />
+<br />
+<br />
Hydrogen Passivation<br />
+<br />
+<br />
+<br />
0<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+ +<br />
7.35
<strong>Si</strong><br />
<strong>Si</strong>N<br />
Borosilicate Glass<br />
1.5 µm<br />
3mm<br />
Hydrogen Passivation<br />
0<br />
7.36
Einkristalline Dünnschichtzellen ?<br />
7.37
7.38<br />
Chalkopyrite als <strong>Solarzellen</strong>materialien (I-III-VI 2 -Halbleiter)<br />
- niedrige Abscheidetemperaturen<br />
- geringe Oberflächenrekombination<br />
- hohe Absorptionskonstanten<br />
- geeignetes Bandgap<br />
- legierbar
7.39
7.40
7.41
7.42
Polykristalline CIS-Zellen<br />
7.43
pn-Heteroübergänge<br />
- n-Dotierung schwierig<br />
- Verwendung einer n-dotierten<br />
Fensterschicht (CdS)<br />
7.44
CIS: Herstellung der Absorberschicht<br />
7.45
7.46
7.47<br />
Idee zur weiteren Verbeserung: Chalkopyrit-Tandemzelle
Industrielle Aktivitäten CIS-Fertigung weltweit<br />
mit produktrelevanten Substratgrößen (2004)<br />
Firma<br />
Shell Solar USA<br />
Würth Solar<br />
Marbach<br />
Global Solar<br />
USA<br />
Showa Shell<br />
Japan<br />
Honda Japan<br />
Sulfur Cell Berlin<br />
Shell Solar<br />
München<br />
Fertigungsleistung<br />
in<br />
MWp/a<br />
3<br />
0.4<br />
< 0.4<br />
-<br />
0.15<br />
-<br />
-<br />
Substrat<br />
Glas<br />
(m x m)<br />
0,3 x1,2<br />
0,6 x 1,2<br />
Metallfolie<br />
1ft x .. ft<br />
(Rolle)<br />
0,3 x1,2<br />
0,8 x 1,3<br />
(0,2 x 0,2)<br />
0,6 x 1,2<br />
0,6 x 1,2<br />
Wirkungsgrad<br />
max/mittel<br />
< 13% / 11%<br />
< 13% / 11,5%<br />
10% / 8%<br />
14,2% / 11,8%<br />
/ 10%<br />
-<br />
13,1% / 12,2%<br />
Markt<br />
Ja<br />
Ja<br />
Militär (teilweise<br />
Consumer)<br />
Nein<br />
Nein<br />
Nein<br />
Nein<br />
7.48
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