3.1

Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

Vorläufige Terminplanung Vorlesung „Solarenergie“ WS 2007/2008 Stand: 21.10.2007

Vorlesung Nr.

Termin Thema Dozent

1 Di. 23.10.07 Wirtschaftliche Aspekte/Energiequelle Sonne

Lemmer

2 Fr. 26.10.07 Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer - Di. 06.11.07

Inauguration Karlsruhe School of Optics & Photonics

Lemmer

3 Fr. 9.11.07 Kristalline pn-Solarzellen Lemmer 4 Di. 13.11.07 Elektrische Eigenschaften Lemmer 5 Fr. 16.11.07 Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer 6 Di. 20.11.07 Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer 7 Fr. 23.11.07 Anorganische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 8 Di. 04.12.07 Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 9 Di. 11.12.07 Third Generation Photovoltaics Lemmer

10 Di. 18.12.07 Photovoltaische Systeme I Lemmer - - Weihnachtsferien

Lemmer

11 Di. 08.01.08 Photovoltaische Systeme II Lemmer 12 Fr. 11.01.08 Solarkollektoren Lemmer 13 Di. 15.01.08 Passive Sonnenenergienutzung 13 Di. 22.01.08 Solarthermische Kraftwerke Lemmer 14 Di. 29.01.08 Energiespeicher/Solarchemie Lemmer 15 Fr. 01.02.08 Kostenrechnungen zu Solaranlagen Lemmer 16 Di. 05.02. 08 Energieszenarien Lemmer 17 Di. 12.02.08 Exkursion Lemmer

3.2

Dotierung

n-Dotierung durch Einbau eines Atoms mit 5 Valenzelektronen

p-Dotierung durch Einbau eines Atoms mit 3 Valenzelektronen

b) c)

a)

Abb.: a) Ausschnitt aus dem Periodensystem der Elemente. b) Schema zur p-Dotierung. c) Schema zur n-Dotierung.

3.3

Energieniveaus bei DotierungEnergieniveaus bei Dotierung

3.4

p-n-Übergang

Wenn p- und n- dotierte Bereiche zusammengeführt werden, kommt es zur Diffusion von Ladungsträgern und zur Ausbildungvon Raumladungen. – Film über p-n-Übergang

Ausbildung von Raumladungszonen

3.5

Aufbau der Standard-Si-Solarzelle

n-Emitter (<1µm) p-Basis (~300µm)

BSF

Anti-Reflexions-Schichtauf strukturierter

Oberfläche

Front-Kontakt

Rück-Kontakt

Anti-Reflexions-Schicht + Rück-Kontaktbilden das „optical confinement“,n-Emitter + Back Surface Field / BSFbilden das „electrical confinement“.

Quelle: Prof. Wagemann, TU Berlin

3.6

Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien

3.7

Die verschiedenen Schritte auf dem Wege zur Si-Wafer

- Herstellung von metallurgischem Silizium „Feuerstein“(SiO2)

- Refraktionierung (Siemens-Verfahren)

- Herstellung von hochreinem Poly-Si-Material

- Kristallzucht

Si-Wafer- Schneiden von Wafern

3.8

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

3.9

1. Herstellung von metallurgischem Si

SiO2 (Quarz) und Kohlenstoffwerden in feingemahlener Form 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)

3.10

2. Refraktionierung (EGS)

feingemahlenes metallurgisches Si wird in einem Wirbelsinterofengasförmigem Chlorwasserstoff ausgesetzt

Si+3HCl →SiHCl3+H2(exotherme Reaktion zu Trichlorsilan (TSiede=30°C))

mehrstufige Destillation

Trennung von Verunreinigungen

Verunreinigungsgrad < 10-12

3.11

Bedarf der Photovoltaik an Solar-Silizium

Für 1 MW Solarzellen benötigt man >10 t Silizium; also im Jahre 2005 weltweit für 1800 MW Solarzellen mindestens ~ 18.000 t SGS-Silizium.Der Silizium-Bedarf 2005 der Chip- und der Photovoltaik-Industrie sind vergleichbar. Der heutige Preis beträgt > € 50 / kg.

Man rechnet angesichts der hohen PV-Zuwachsrate mit steigendemBedarf an SGS-Silizium: bis zum Jahre 2010 mit 50.000 t/Jahr.Damit wird eine eigenständige SGS-Silizium-Herstellung benötigt, die es für derartige Mengen bisher nicht gibt.

Vor allem der hohe Aufwand an Energie begrenzt derzeit die Produktion von SGS-Silizium: (600...700) kWh/kg SGS-Silizium werden benötigt. Bei zusätzlichen 32.000 t SGS-Silizium im Jahre 2010 sind dies jährlich ca. 20·109 kWh, die eine Kraftwerk-Kapazität von ca. 2.500 MW erfordern( ~ Berliner Kraftwerk-Leistung ).

(Quelle: Photon 6/2006)

3.12

Solar grade silicon

3.13

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)

3.144. 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)

3.154. 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)

3.164. 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

3.17

3.185. Herstellung von Wafern

Innenlochsäge

-200-400 µm Dicke- 50 % Sägeverluste

-in beiden Fällen diamantbesetztesSägemedium Drahtschleiftechnik

- dünnere Wafer möglich

3.19

Energiebedarf bei Waferproduktion

Modul: 50 Wp

- Energierücklaufzeiten von 6-8 Jahren

3.20

Energierücklaufzeit

Quelle: Photon Dez. 2002

3.21

Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien

3.22

Herstellung von poly(multi)kristallinem Silizium

kontrollierte Abkühlung sorgt für kolumnare Strukturen

geschmolzenes Si wird in Graphittiegelgegossen

Zersägen in viereckige Scheiben

3.23

Herstellung von poly(multi)kristallinem Siliziumzellen

"solar grade" Silizium / SGS geschmolzenes Silizium kontrolliertes Abkühlen von unten nach oben

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)

3.24

Marktanteile der verschiedenen Solarzellenmaterialien

3.25

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

3.26

Energierücklaufzeit

Quelle: Photon Dez. 2002

3.27

Von der Scheibe zur Solarzelle

- Ausgangspunkt: p (Bor)-dotierte Si-Wafer

-Elektronen als Minoritätsladungsträger im p-Bereichweisen eine größere Diffusionslänge auf

3.28

Eindiffusion des Emitterkontaktes

Phosphin (PH) bzw. Phosphoroxychlorid (POCl3) wird an die heiße Si-Oberfläche gebracht

Reaktion zu P2O5 → dient als Diffusionsquelle an der Oberfläche

3.29

Diffusionstechnologie

Eindiffusion bei hohen Temperaturen

Einbau auf Si-Gitterplatz alsDonator

3.30

Solarzellentechnologie

-Trockenätzen der Kanten- Naßätzen des Glases

- Siebdruck der Metallkontakte

3.31

Solarzellentechnologie

3.32

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

3.33

Siebdrucken

- für Rückseitenkontakt wird Al (dreiwertig) verwendet- wird bei 800 °C einlegiert und ergibt damit eine p+ Dotierung

- Erzeugung des Back-Surface-Feldes

3.34

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: