Dr. Stephan Bücheler - Photovoltaik-Technologien
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Dr. Stephan Bücheler - Photovoltaik-Technologien
Photovoltaik im Fokus 16.11.2011 Willkommen Welcome Bienvenue Einführung Solarstrom für die Schweiz Prof. Dr. Ayodhya N. Tiwari Photovoltaik im Fokus 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 2 1 Photovoltaik im Fokus 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 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik 0.3 €/Wp ?? Materials Science & Technology 3 Entwicklung der Kosten für Solarstrom Es wird erwartet: Wettbewerbsfähigkeit von Solarstrom in Europa beginnt 2014 in Italien! Quelle: Solar Generation 6, EPIA, 2011 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Dr. Stephan Buecheler, Empa Materials Science & Technology 4 2 Photovoltaik im Fokus 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 Photovoltaik im Fokus Dr. Stephan Buecheler, Empa 16. November 2011 3 Photovoltaik im Fokus 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 Absorberdicke: <3 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) Monolithische Verschaltung Monolithische Verschaltung Aufkommende Technologie Technologie noch in F&E Stadium Ausgereifte Technologie (80% Marktanteil) Geringes Potential zur Kostensenkung Mittleres Potential zur Kostensenkung Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Ermöglicht: mobile Anwendung, BIPV, günstigere Montage Ermöglicht: mobile Anwendung, BIPV, günstigere Montage Hohes Potential zur Kostensenkung Hohes Potential zur Kostensenkung Materials Science & Technology 7 Photovoltaik Technologien – Marktanteile Marktanteile [%] Evolution und Trends der Marktanteile der einzelnen PV-Technologien Quelle: Solar Generation 6, EPIA, 2011 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Dr. Stephan Buecheler, Empa Materials Science & Technology 8 4 Photovoltaik im Fokus 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 Quelle: Solar Generation 6, EPIA, 2011 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 9 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 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Dr. Stephan Buecheler, Empa Materials Science & Technology 10 5 Photovoltaik im Fokus 16.11.2011 Dünnschichtsolarzellen – Vorteile Dünnschichtzellen können auf Plastiksubstraten aufgebracht werden leicht und biegbar Flexible CIGS Solarzellen Mit leichten, flexiblen Modulen können neue Märkte erschlossen werden Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 11 Dünnschichtsolarzellen – Vorteile Flexible Substrate ermöglichen Rolle-zu-Rolle Produktion Rückkontakt CIGS Absorber Frontkontakt Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Dr. Stephan Buecheler, Empa Puffer Verkapselung Materials Science & Technology 12 6 Photovoltaik im Fokus 16.11.2011 Dünnschichtsolarzellen – Vorteile Schnellere Energetische Amortisation (Energierücklaufzeit) Entwicklungen im Labor versprechen weitere Reduktionen Quelle: Solar Generation 6, EPIA, 2011 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 13 Dünnschicht-PV – F&E und Produktion in CH BFH ETHs, FHs, Unis Industrie Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Dr. Stephan Buecheler, Empa und weitere… Materials Science & Technology 14 7 Photovoltaik im Fokus 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 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 15 ETA Solarzellen basierend auf ZnONanostrukturen in Form von Seeigeln Draufsicht Möglicher Aufbau Unser Ziel: Kostengünstige Solarzellen mit reduziertem Rohstoffeinsatz Quelle: J. Elias, Empa, 2011 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Dr. Stephan Buecheler, Empa Materials Science & Technology 16 8 Photovoltaik im Fokus 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 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 17 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 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Dr. Stephan Buecheler, Empa Materials Science & Technology 18 9 Photovoltaik im Fokus 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 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 19 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) Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Dr. Stephan Buecheler, Empa Materials Science & Technology 20 10 Photovoltaik im Fokus 16.11.2011 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 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 21 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 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Dr. Stephan Buecheler, Empa Materials Science & Technology 22 11 Photovoltaik im Fokus 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 Abteilung für Dünnfilme und Photovoltaik Materials Science & Technology 23 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 Dr. Stephan Buecheler, Empa 12