Dr. Stephan Bücheler - Photovoltaik-Technologien

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Photovoltaik im Fokus
16.11.2011
Willkommen
Welcome
Bienvenue
Einführung
Solarstrom für die Schweiz
Prof. Dr. Ayodhya N. Tiwari
16. November 2011
Top 10 Probleme der Menschheit in den nächsten 50 Jahren
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Energie
Wasser
Ernährung
Umwelt
Armut
Terrorismus
und Kriege
7. Krankheiten
8. Bildung
9. Demokratie
10. Bevölkerungswachstum
Quelle: Prof. R.E. Smalley, „Our Energy
Challenge“ 2003
Die Sonne ist eine unerschöpfliche EnergieQuelle und Grundlage unserer Existenz!
Die Sonneneinstrahlung (Energie) welche die Erde innerhalb einer
Stunde erreicht ist ausreichend um den gesamten Energieverbrauch
der Welt für mehr als ein Jahr zu decken!
Solarzelle: Direkte Umwandlung von Licht in Strom
Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik
Dr. Stephan Buecheler, Empa
Materials Science & Technology
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1
16.11.2011
Strohmgestehungskosten - Energieträger
Kosten (€ ct/kWh)
40.0
30.0
Hängt von Technologie
und Ort ab!!!
20.0
10.0
0.0
Kohle
Gas
Öl
Wind
Nuklear
PV
Stromgestehungskosten von PV müssen um das 2-4 fache fallen um
Konkurrenzfähigkeit zu erreichen
Kosten für Solarmodule müssen gesenkt werden:
< 1 €/Wp
< 0.7 €/Wp
< 0.5 €/Wp
0.3 €/Wp ??
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Entwicklung der Kosten für Solarstrom
Es wird erwartet: Wettbewerbsfähigkeit von Solarstrom in
Europa beginnt 2014 in Italien!
Quelle: Solar Generation 6, EPIA, 2011
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2
16.11.2011
Vielzahl an Technologien
Verschiedene
Anwendungsmöglichkeiten und
Entwicklungsstadien
Si Wafer
Si Dünnschichten
OPV
DSC
CdTe
a-Si
III-V auf Wafern
CIGS
Willkommen
Welcome
Bienvenue
Vortrag 1
Photovoltaik-Technologien
Dr. Stephan Buecheler
16. November 2011
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16.11.2011
PV-Technologien – Überblick
1. Generation:
Wafer basiert
2. Generation:
Dünnschicht auf Glas
3. Generation:
Dünnschicht auf Folie
Nächste Generation:
Organisch / DSC
Neue Konzepte
 Absorberdicke: ~200 µm
 Absorberdicke: <3 µm
 Limitierte Wafergrösse
 Grossflächige Herstellung
 Starr und schwer
 Starr und schwer
 Grossflächige und R2R
Herstellung
 Grossflächige und R2R
Herstellung
 Komplexe
Modulverschaltung
 Monolithische Verschaltung
 Flexibel und leicht
 Starr oder flexibel
 Junge, wachsende
Technologie
(20% Marktanteil)
 Aufkommende Technologie
 Technologie noch in F&E
Stadium
 Ausgereifte Technologie
(80% Marktanteil)
Geringes Potential zur
Kostensenkung
Mittleres Potential zur
Kostensenkung
 Ermöglicht: mobile
Anwendung, BIPV,
günstigere Montage
 Ermöglicht: mobile
Anwendung, BIPV,
günstigere Montage
Hohes Potential zur
Kostensenkung
Hohes Potential zur
Kostensenkung
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Photovoltaik Technologien – Marktanteile
Marktanteile [%]
Evolution und Trends der Marktanteile
der einzelnen PV-Technologien
8
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16.11.2011
Photovoltaik Technologien – Preisentwicklung
Der Preis für PV-Module sank um 22% bei Verdopplung der installierten
Kapazität (in MW)
Deutliche Preisvorteile bei Dünnschicht-Technologien
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Dünnschichtsolarzellen – Vorteile
 Dünnschichtsolarzellen verbrauchen weniger
Rohmaterial (CIGS: ca. 1-3 m, c-Si: ca. 200 m)
Querschnitt einer CIGS Solarzelle unter dem Elektronen-Mikroskop
 Günstige Herstellungsverfahren mit hohem Durchsatz
möglich
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16.11.2011
 Dünnschichtzellen können auf Plastiksubstraten
aufgebracht werden  leicht und biegbar
Flexible CIGS Solarzellen
 Mit leichten, flexiblen Modulen können neue Märkte
erschlossen werden
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 Flexible Substrate ermöglichen Rolle-zu-Rolle
Produktion
Rückkontakt
CIGS Absorber
Frontkontakt
Puffer
Verkapselung
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16.11.2011
 Schnellere Energetische Amortisation
(Energierücklaufzeit)
Entwicklungen im Labor versprechen
weitere Reduktionen
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Dünnschicht-PV – F&E und Produktion in CH
BFH
ETHs, FHs, Unis
Industrie
und weitere…
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16.11.2011
Dünnschicht-Photovoltaik an der Empa
Brücke zwischen Forschung und Praxis
ETA
Organisch
Werkstoff und
Nanomechanik
Grätzel
Abteilung Funktionspolymere
Anwendungsorientierte Materialforschung
Neue
Konzepte
CdTe
CIGS
Abteilung Dünnfilme und Photovoltaik
effizienter Technologietransfer
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ETA Solarzellen basierend auf ZnONanostrukturen in Form von Seeigeln
Draufsicht
Möglicher
Aufbau
Unser Ziel:
Kostengünstige Solarzellen mit reduziertem Rohstoffeinsatz
Quelle: J. Elias, Empa, 2011
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16.11.2011
Organische Solarzellen aus photographischen
Farbstoffen (OPV)
Dicke der aktiven Schichten:
70 nm ≈ 1/1000 der Dicke
eines menschlichen Haares
Herstellung
z.B. Drucken
1g Cyaninfarbstoff genügt,
um 10 m2 Solarzellenfläche
herzustellen
Unser Ziel: Grundlagen-Konzepte zur grossflächigen Anordnung von
organischen Materialien im Nanometerbereich – Langlebige organische
Solarzellen für „neue“ Anwendungsbereiche, z.B. Solarzellen in Fenstern
Quelle: F.Nüesch, Empa, 2011
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Farbstoffsolarzellen (auch Grätzel-Solarzellen)
basierend auf TiO2 Nanopartikeln
Solarzellen in verschiedenen Farben
auch halb-transparent möglich
Farbstoff-Molekül
Herstellung
z.B. Drucken
EPFL
Iod-Ionen
Unser Ziel:
Synthese neuer organischer metallfreier Farbstoffe (NIR-Absorber)
Entwicklung transparenter und farbloser Solarzellen
Quelle: F.Nüesch, Empa, 2011
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16.11.2011
Neue Materialien für Dünnschicht-Solarzellen
Kesterite
1.
2.
3.
4.
Herstellung
z.B. Drucken
Cu2ZnSn(S,Se)4
Bereits vielversprechenden
Wirkungsgrad von 4% erreicht
Unser Ziel:
Kostengünstige Solarzellen aus "endlos" verfügbaren Rohstoffen.
S. Chen et al., Phys Rev B, 79, 165211, 2009
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Flexible CdTe Solarzellen und Module
CdTe Solarmodule und Zellen auf
verschiedenen Substraten
15.6% CdTe Solarzelle auf Glas
Herstellung
13.8% CdTe Solarzelle auf PI
und 8.7% auf Stahl
Beschichtung
im Vakuum
z.B R2R-Verfahren
9.4% CdTe Solarmodul auf PI
Unser Ziel:
Optimale Rohstoffausnutzung, tiefere Prozesstemperaturen,
schnellere Prozesse, höhere Wirkungsgrade (push the limits)
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Flexible CIGS Solarzellen und Module
Flexible Solarzellen mit
Weltrekord-Wirkungsgrad
Querschnitt einer CIGS Solarzelle
18.7% CIGS Solarzelle auf PI
17.7% CIGS Solarzelle auf Stahl
Herstellung
Beschichtung
im Vakuum
z.B R2R-Verfahren
14.8% CIGS Solarmodul auf PI
Unser Ziel:
Optimale Rohstoffausnutzung, tiefere Prozesstemperaturen,
schnellere Prozesse, höhere Wirkungsgrade (push the limits)
A. Chirila et al. Nature Materials, 10, 857-861, 2011
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Hocheffiziente CIGS Dünnschichtsolarzellen
Tieftemperatur Prozess entwickelt für CIGS auf Plastikfolie
Neuer Weltrekord: 18.74%
Leistung ist vergleichbar mit polykristallinem-Silizium
(heute grösster Marktanteil)
Produktion mit Rolle-zu-Rolle Verfahren möglich
 massive Kosteneinsparung
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11
16.11.2011
Fazit

Erstklassige Forschungsresultate im Bereich
Dünnschicht-PV in der Schweiz

Konzepte verschiedener Entwicklungsstufen im
Labor erfolgreich umgesetzt

Für einen erfolgreichen Technologietransfer in die
Industrie ist weitere angewandte F&E notwendig

Ist dies der Fall, können die vorgestellten
Technologien die Kosten von Solarstrom deutlich
senken
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Danksagung
Empa und Flisom Mitarbeitern
Bundesamt für Energie (BFE)
Kommision für technische Innovation (KTI)
Swiss National Science Foundation (SNSF)
FP7-EU Framework Program (hipoCIGS project)
Blösch AG, Flisom AG
Herzlichen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
Die Folien können Sie downloaden:
www.empa.ch/tfpv
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Dr. Stephan Bücheler - Photovoltaik-Technologien

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