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Photovoltaik: Wie geht es weiter?
Jürgen H. Werner Institut für Photovoltaik, Universität Stuttgart
6. Mai 2015
[email protected]
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Danke! Renate Zapf-Gottwick und Jürgen Köhler Kai Carstens, Morris Dahlinger, Erik Hoffmann Birgitt Winter und die Technologiegruppe!
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Überblick 1. Wie funktioniert eigentlich eine Solarzelle? 2. Jede „normale“ Diode ist eine Solarzelle 3. Photovoltaikmarkt: kaum Installationen in Deutschland, kaum mehr deutsche Hersteller 4. Schadstoffe in PV-Modulen 5. Der Ausweg für europäische Hersteller: Sehr hohe Wirkungsgrade 6. Rückseitenkontaktzellen und ihre Herstellkosten 7. Speicherkosten
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1. Wie funktioniert eigentlich eine Solarzelle
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Wie funktioniert eine Solarzelle????? Absorption von Solarstrahlung Anregung von Elektronen Gerichteter Elektronenfluss
Metall 1
Ec EFn qV
EFp Ev
Membran 2
Membran 1
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Wasserfall-Modell von Solarzellen
Die „Membranen“ für Elektronen im Valenz- bzw. Leitungsband lassen nur Elektronen im Valenzband (Löcher) rechts und im Leitungsband (links) durch.
Metall 2
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Wasserfall-Modell von Solarzellen
Metall 1
Ec EFn qV
EFp Ev
Membran 2
Membran 1
Einstrahlungsrichtung
Photonen regen Elektronen vom Valenzband an. Sie fließen nach links zur „Elektronensenke“. Ständig werden von rechts Elektronen ins Valenzband nachgeliefert.
Metall 2
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Wasserfall-Modell von Solarzellen
Metall 1
Ec EFn qV
EFp Ev
Membran 2
Membran 1
Einstrahlungsrichtung
Photonen regen Elektronen vom Valenzband an. Sie fließen nach links zur „Elektronensenke“. Ständig werden von rechts Elektronen ins Valenzband nachgeliefert.
Metall 2
qV
EFp Ev
Membran 2
Membran 1
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Metall 1
Ec EFn
Ersetzen der „Membranen“ durch (hoch)dotierte Bereiche.
Metall 2
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Ec EFn n+ Metall 1
qV
p+ EFp Ev
Metall 2
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Wasserfall-Modell von Solarzellen Einstrahlungsrichtung
Ec EFn n+ Metall 1
qV
p
p+ EFp Ev
Metall 2
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Licht
Si3N4
Textur
Silber-Kontakt n+-Typ Silizium Raumladungszone
= V e- -
A
h+ +
p-Typ Silizium p+-Bereich (Aluminium) Aluminium-Kontakt
30 Stromdichte J [mA/cm²]
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40
20 10
Dunkelkennlinie
0
VOC
-10
Hellkennlinie
-20
-Jphoto
-30 -40
-0,4 -0,2 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Spannung V [V] Strom/Spannungs-Kennlinie einer pn-Diode „im Dunkeln“ und „im Hellen“.
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2. Dioden und Solarzelle Wann ist eine Diode/Zelle im Dunkeln?
30 Stromdichte J [mA/cm²]
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40
20 10
Dunkelkennlinie
0
VOC
-10
Hellkennlinie
-20
-Jphoto
-30 -40
-0,4 -0,2 0,0
0,2
0,4
Spannung V [V]
0,6
0,8
1,0
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Woher kommt der Sperrsättigungsstrom?
a)
J
J
b)
1 mA/cm2
J J 0 (e
qV kT
1)
- 60 V © JHW
J0= 1
nA/cm2
V
0.7 V
V
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Bändermodell „im Dunkeln“, ohne Spannung n0 =ni2/p0 p+
p
EF n
p0 = N A
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„Im Dunkeln“, Vorwärtsspannung J n ( x) qvdiff ,n n( x)
p+ qV
EFn EFp
EFp nRLZ
n
e x / Ln n0
xRLZ
x
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„Im Dunkeln“, Rückwärtsspannung D ni2 J 0 qvdiff ,n n0 q L NA
p+ EFp -qV
n
EFp EFn
xRLZ
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Woher kommen die Elektronen „im Dunkeln“ n0 =ni2/p0 p+
p
EF n
p0 = N A
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Woher kommen die Elektronen „im Dunkeln“ n0 = G0τ0 p
G0
p+
R0
EF n
p0 = N A
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Woher kommt der Sperrsättigungsstrom?
G0 EFp -qV
n
R
G0
R0
p+ EFp
EFn
xRLZ
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Der Sperrsättigungsstrom J0 jeder Diode = ihr Photostrom „im Dunkeln“ = 0, nur wenn keine Wärmestrahlung der Umgebung vorhanden ist, also bei T = 0 K.
30 Stromdichte J [mA/cm²]
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40
20 10
Dunkelkennlinie
0
VOC
-10
Hellkennlinie
-20
-Jphoto
-30 -40
-0,4 -0,2 0,0
0,2
0,4
Spannung V [V]
0,6
0,8
1,0
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3. Photovoltaikmarkt … kaum mehr in Deutschland, kaum mehr von Deutschen…
Weltweite kumulierte Installation [GW]
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Weltmarkt: Ausblick, gesamte Installationen Oberer Wert
200 GW Unterer Wert
Quelle: EPIA 2013
5
10
installed PV-power [MW]
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PV in Deutschland (Mai 2015) 52 GW
4
10
39 GW ≈ 250 km2
3
10
2
10
exponentiell
linear
1
10
1 GW/a 0
10 1990
1995
2000
2005
year
2010
2015
2020
Weltweite jährliche Installation [GW]
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Weltmarkt: Jährlicher Zuwachs
Quelle: EPIA 2013
45 GW
Oberer Wert
Unterer Wert
-
Deutscher Markt: 1 GW/Jahr
+
Zuwachs erfordert neue Fabrikkapazitäten
Jährliche Modulproduktion [GW]
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Modul-Hersteller, Marktanteile
Quelle: EPIA 2014
gesamt
ROW Taiwan
China
Japan
Europa USA
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Schlussfolgerungen Schlechte Nachrichten Kaum noch Markt in Deutschland Kaum noch deutsche Hersteller
Gute Nachrichten Riesiger Markt außerhalb von Deutschland Hersteller können Wachstum kaum mithalten
Neue Fabriken benötigt!
100
80
Market Share [%]
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Dünnfilmmodule sind keine Option
Crystalline Si 60
40
Thin Films 20
0 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
1976
Module Price M€ [$/Wp]
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Lernkurve für Module aus kristallinem Si
Faktor 100 in 40 Jahren !!
2015: 50 €ct/Wp
Stromkosten in D
2015:
8 ct/kWh
2030:
5 ct/kWh
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4. Schadstoffe in PV-Modulen
power of annually installed PV-modules P [MW]
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Weltmarkt PV-Module
4
10
40 GW in 2014 c-Si
3
10
2
10
PV total
1
10
0
a-Si
CIGS
CdTe
10
1980
1985
1990
1995
2000
year
2005
2010
2015
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PV-Module
c-Si 16 %
CdTe 12 %
a-Si 7%
CIGS 13 %
weight of hazardous substances in PV-modules GPb, GCdTe [t]
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Verteilte Schadstoffe 4
10
3
10
2014: GPb 14.000 t GCdTe 1.800 t
2
10
GPb in c-Si 1
10
0
10
-1
10
GCdTe
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
year
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Auslaugexperimente
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5. Der Ausweg für europäische Hersteller: Hohe Wirkungsgrade .. und schadstofffrei!
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Systempreise 2015 Module: 50 bis 60 €ct/Wp = 500 bis 600 €/kWp. Wie viel kostet Gesamtsystem (ca. 7 m2/kWp)? Komponenten
Preis [€/kWp]
Anteil [%]
Module, M€ Aufständerung, Kabel, Lohnkosten, BOS€
500 - 600 250 - 400
30 - 50 25 - 30
Inverter, Gerüst, Versicherung, Gewinn des Installateurs, Fix
150 - 500
25 - 30
Summe, T€
900 - 1500
100
T€ M € BOS € FIX flächenabhängig = 70 – 80 %
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Modulpreise
η = 15 %
50 ct/Wp
75 €/m2
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Systempreis: 900 €/kWp
M = 75 €/m2 @ 15 %
Fix BOS = 30 €/m2
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Systemkosten: €/kWp und €/m2 T€ M € BOS € FIX
€/kWp
1 M€ M□ P0 BOS €
Wirkungsgrad
T€
1 BOS □ P0 1 kW/m²
1 ( M□ BOS□ ) FIX P0
€/m²
Allowed Add. Module Price M€ [ct/W]
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Wie viel mehr bezahlt Installateur? 30
100 €/m²
20
BOS□ = 80 €/m²
10
56 ct/W
0
60 €/m²
-10
40 €/m²
-20
20 €/m²
-30
M
allow €
-40 -50
0
5
10
15
20
Module Efficiency [%]
1 1 BOS ref allow 25
30
Allowed Add. Module Price M€ [ct/W]
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Höherer Wirkungsgrad 30
100 €/m²
20
BOS□ = 80 €/m²
+14
10 +7
0
60 €/m²
-10
40 €/m²
-20
20 €/m²
-30 -40 -50
0
5
10
15
20
Module Efficiency [%]
25
30
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6. Rückseitenkontakte und ihre Herstellkosten
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5“
back contact cell (Sunpower, 22 - 23%)
125 mm
„normal“ cell (ipv, 18.5 %, 6“)
156 mm
6“
5“ 5“ 21 %
6“ 22 %
back contact cell (ipv, 21.2 %)
46
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Laser Processed Back Contact Cells Laser doping
Laser ablation
Laser structuring
Highly versatile Photolitography free 47
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ipv laser based process boron sputtering emitter laser doping cleaning FSF furnace diff. BSF laser doping
PSG
SiO2 +SiNx
FSF n-type SiO2 passivation layer stack emitter
cleaning therm. SiO2
best cell/ contacts by
PECVD SiNx + passivation
Photolithography
laser ablation metallization laser structuring
Ag-screen printing
contacts PSG boron precursor size Voc Jsc FF [cm2] [mV] [mA/cm²] [%] 663 40.9 80.3 4 669 41.3 79.8 4 654 41.8 78.2
BSF
η [%] 21.8* 22.0 21.4
Al-metallization
4
676
42.3
82.4
23.2*
Al-metallization
156
674
39.3
79.8
21.2
*confirmed
Allowed Add. Module Price M€ [ct/W]
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Erlaubter Verkaufspreis „Premium“-Modul 30
100 €/m²
20
BOS□ = 80 €/m²
+14
10
Asiatisches Modul Preis 56 ct/W p
+7
Handelsspanne >10 ct/Wp
0
60 €/m²
-10
Rück-Si Modul Herstellung 49 ct/W p
40 €/m²
-20
20 €/m²
-30 -40 -50
0
5
10
15
20
Module Efficiency [%]
25
30
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7. Speicherkosten
Li-Batt. Price [$/kWh]
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Speicherkosten (nach W. Hoffmann 2014)
103
Learning factor 0.85
102
101 102 103 104 105 106 Cumulated Li-Batt. Capacity [MWh]
Zelle
Batteriekosten $/kWh Speicherkosten €ct/kWh
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Speicherkosten (nach W. Hoffmann 2014) 180 150
Pack 50
340
250
200
25 100
2012
2015
2020
2030
20
5 ct/kWh
10
0 2012
2015
2020
2030
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Wie geht es weiter? 1. PV-Modulmarkt geht „nach Süden“.
2. Premium-Module (>20%) herstellbar in D für < 50ct/Wp 3. 2030: Strom aus PV in D Strom aus Speicher
5ct/kWh 5ct/kWh
4. Schadstoffe raus aus PV-Modulen!
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PV Power Map (2014) 2014: 440 W/person 2020: 650 W/person
Source: Market Outlook, EPIA, 2013
