Dunnefilm Zonnecellen op Papier

Transcriptie

1 Resultaten en bevindingen van project Dunnefilm Zonnecellen op Papier Dit rapport is onderdeel van de projectencatalogus energie-innovatie. Tussen 2005 en 2011 kregen ruim 1000 innovatieve onderzoeks- en praktijkprojecten subsidie. Ze delen hun resultaten en bevindingen, ter inspiratie voor nieuwe onderzoeks- en productideeën. De subsidies werden verleend door de energie-innovatieprogramma's Energie Onderzoek Subsidie (EOS) en Innovatie Agenda Energie (IAE). Datum 2010 Status Definitief Universiteit Utrecht, e.a. in opdracht van Agentschap NL

2

3 Colofon Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon Dunnefilm Zonnecellen op Papier Energie Onderzoek Subsidie Lange Termijn EOSLT04030 Universiteit Utrecht Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.

4 Openbaar Eindrapport Dunnefilm Zonnecellen op Papier (Thin Film Solar Cells on Paper) Project number: EOS LT July June 2010 Utrecht University M. Brinza, M.M de Jong, J.K. Rath, R.E.I. Schropp Nanophotonics Physics of Devices

5 Samenvatting Het project Thin films solar cells on paper ( dunne film zonnecellen op papier ) betreft onderzoek aan de bereiding van zonnecellen gebaseerd op dunne film silicium bij een lage depositietemperatuur (ongeveer 100 C) middels twee technieken: plasmadepositie bij zeer hoge frequentie (VHF PECVD; very high frequency plasma enhanced chemical vapor deposition) en depositie door ontleding van brongas aan een hete draad (HWCVD: hot wire chemical vapor deposition). De doelstellingen van het project waren Optimalisatie van de intrinsieke lichtabsorberende amorf-siliciumlaag door verlaging van de defectconcentratie in de verboden zone tussen valentie- en geleidingsband. Verhoging van de depositiesnelheid bij lage depositietemperaturen, voor zowel amorfsiliciumlagen als nanokristallijn-siliciumlagen. Optimalisatie van het ontwerp van de zonnecel ter verhoging van de openklemspanning. Optimalisatie van de fractie kristallijn materiaal in de absorberende laag van nanokristallijne zonnecellen. Ontwikkeling van een getextureerde reflector aan de achterzijde van de cel die geschikt is voor rechtstreeks gebruik op plastic substraten Het aanbrengen van de complete dunnefilm silicium zonnecellen op plastic of papier. Het aanbrengen van zonnecellen op gewoon plastic of papier maakt zeer goedkope zonnecellen mogelijk. Huidige dunnefilm zonnecellen worden meestal aangebracht op een glazen paneel van 2 tot 4 mm dik. Een tweede glazen paneel en van nog eens 2 tot 4 mm zorgt voor de bescherming van de dunne films. Dit levert relatief zware en dure constructies op. Het glas alleen maakt al 25 procent van de modulekosten uit. Een temperatuurbestendig en flexibel alternatief voor glas is polyimide (Kapton ), waardoor het product wel flexibel kan worden, maar niet goedkoper. Directe depositie op goedkope plastics, en in de toekomst zelfs op papier, is economisch interessant terwijl het ook zorgt voor verbreding van het uiteindelijke toepassingsgebied. Het cruciale probleem dat hierbij moet worden opgelost, is dat voor het gebruik van deze materialen als substraten, lage depositietemperaturen voor de zonnecel nodig zijn. Bij aanvang van het project was het nog niet mogelijk om onder zulke omstandigheden halfgeleidende laagjes van goede kwaliteit te prepareren. De omzettingsrendementen van de zonnecellen waren daardoor onacceptabel laag. De samenwerkende partijen, de Universiteit Utrecht en Arjo Wiggins papierfabrieken, met haar Nederlandse dochter VHP Security Papermill Ugchelen B.V., hebben 4 jaar intensief gewerkt aan de ontwikkeling van dunne film zonnecellen die direct op goedkope plastics kunnen worden aangebracht. Met de nieuwe productietechnologieën kunnen nu betaalbare zonnecellen worden geproduceerd voor toepassingen in elektronische apparatuur zoals e-papier, flexibele beeldschermen en sensoren. Daarin kunnen deze zonnecellen o.a. gebruikt worden voor de verlenging van de operationele werkingsduur van batterijen voor de voeding een draagbare apparatuur. In een later stadium kan het nieuwe type zonnecel ook in andere markten een rol spelen, bijvoorbeeld in muur- en dakbekleding (zowel binnen- en buitenkant van gebouwen en huizen) voor lokale stroomvoorziening. EOS LT04030 Universiteit Utrecht 2

6 Resultaten De route die in dit project is gevolgd is die van kostenreductie door middel van fabricage van dunne film silicium zonnecellen op goedkope plastic substraten, zoals polyethylene-naphtalaat (PEN) of polyethylene-terephtalaat (PET). Dit houdt in dat zowel de intrinsieke lichtabsorberende lagen en de gedoteerde (p-type en n-type lagen) zijn geoptimaliseerd bij de lage depositietemperaturen die de plastic folies nog net kunnen weerstaan ( C). Bij de start van het project was het bekend dat waterstofverdunning van het brongas silaan (SiH 4 ) een positief effect had op de stabiliteit van de verkregen amorf-siliciumlagen onder langdurige belichting, een belangrijke eigenschap voor zonnecellen. Ook heeft waterstofverdunning een positieve invloed op de opto-elektronische eigenschappen van de lagen. Het is daarom absoluut noodzakelijk om bij depositietemperaturen lager dan 150 C een vrij grote verdunning met waterstofgas te gebruiken. Waterstofverdunning leidt echter ook tot de vorming van nanokristallieten in de gedeponeerde lagen. Daarom worden onze beste amorfe lagen gedeponeerd onder condities die nét onder de faseovergang van een amorfe naar een nanokristallijne structuur voor silicium liggen (de amorf-kristalijne overgang). Ook voor de (opzettelijk) nanokristallijne lagen blijken de beste depositiecondities op te treden dichtbij de amorf-kristallijne overgang maar dan nét daarboven. Op PEN folies, die door ons zijn voorzien van een getextureerde achterzijdereflector hebben we een rendement voor amorf silicium zonnecellen behaald van 5.73%. Deze zonnecellen zijn bij een depositietemperatuur van slechts 100 C gedeponeerd met de VHF PECVD methode, met een depositiesnelheid van 0.5 nm/s. Het rendement van nanokristallijn silicium cellen bleef beperkt tot 3.5%. De grote bandafstand die bij deze lage depositietemperatuur wordt verkregen voor deze intrinsieke amorf-siliciumlagen is een gunstige eigenschap, omdat hiermee een hoge openklemspanning (V oc ) voor de cellen kan worden bereikt. Ook de gedoteerde lagen werden verder geoptimaliseerd om een zo hoog mogelijke V oc te bereiken. In de zonnecellen, opgebouwd volgens het n-i-p principe, is door gebruikmaking van een dubbellaagse n-type stapeling (nc-si:h/a-si:h) en een amorfe p-laag aan de vensterzijde een V oc bereikt van V op verschillende soorten rigide en buigbare substraten (zowel op glas als op PEN en PET). In dit project is ook de methode van gasontleding aan een hete draad (Hot Wire CVD; HW CVD) verder ontwikkeld voor siliciumdepositie op plastic substraten. Hiertoe moet ófwel het plastic substraat kunstmatig gekoeld worden, óf de afstand van het substraat tot de hete draad (het filament) worden vergroot. Beide methoden zijn beproefd. De eerste methode heeft een rendement opgeleverd van 3.9% voor de zonnecellen op PEN substraten. De tweede methode heeft betere cellen opgeleverd, van 5.25% op Teonex ( DuPont) plastic folie. Dezelfde cellen op glas hebben zelfs een rendement van zelfs 7.51% opgeleverd, hetgeen het potentieel laat zien van depositie met HWCVD bij lage substraattemperatuur. Mede dankzij de inbreng van de papierverwerkingskennis van de R&D vestiging van Arjo Wiggins in Apprieu in Frankrijk, werden in dit project prototypes van zonnecellen op papier geprepareerd. Tenslotte konden met een eenvoudige kantoorlaminator complete cellen in papier worden gelamineerd. Foto van zonnecellen op PEN substraat, gelamineerd in papier. EOS LT04030 Universiteit Utrecht 3

7 Conclusies De volgende punten kunnen worden geconcludeerd uit de projectresultaten: Voor depositietemperaturen lager dan 150 C is het noodzakelijk een vrij grote verdunning met waterstofgas te gebruiken. Zowel voor nanokristallijn Si lagen als voor amorf Si lagen blijken de beste depositiecondities op te treden dichtbij de amorf-kristallijne overgang, aan weerskanten van de overgang. Een rendement van 5.73% voor amorf silicium zonnecellen op PEN folie is behaald met VHF PECVD, bij 100 o C procestemperatuur. De depositiesnelheid is 0.5 nm/s. Een hoge V oc van V is bereikt op verschillende soorten rigide en buigbare substraten (zowel op glas als op PEN en PET). Een rendement van 5.25% voor amorf silicium zonnecellen op Teonex ( DuPont) plastic folie is behaald met de HWCVD methode. Dezelfde cellen op glas hebben zelfs een rendement van zelfs 7.51% opgeleverd. Prototypes van zonnecellen op papier zijn geprepareerd. Bijdrage aan het EOS LT Programma Dit project bevindt zich in het aandachtspunt Gebouwde omgeving, speerpunt zonconversie, dunne film PV technologie van het EOS programma. De materialen die gebruikt zijn in dit project zijn niet giftig en geven geen vervuiling van het milieu. De zonnecellen zijn volledig veilig in een woonomgeving, zowel binnen als buiten. De succesvolle implementatie van depositieprocessen op een flexibele plastic of papieren folie maakt productie op de rol mogelijk, hetgeen een sterke reductie van de kosten met zich meebrengt vergeleken bij productie op glazen substraten. Niet alleen minder materiaal zal tijdens zonnecelproductie worden gebruikt, maar ook minder energie, omdat de folie veel sneller op procestemperatuur (200 o C) komt en ook veel sneller weer afkoelt waar nodig in het proces. Op de langere termijn, met goed beschermende laminatie, kan een aanzienlijke bijdrage van dit type cellen worden verwacht in de duurzame energievoorziening. In Nederland alleen is er 765 km 2 dak beschikbaar, waarvan 128 km 2 vlak dak. Per jaar wordt er ~20 km 2 aan dakoppervlak gerenoveerd, alleen al in Nederland (in Europa ~ 700 km 2 ). De productie van een zonnecelfabriek is typisch ~ 1 km 2 per jaar, kortom alleen al het dakoppervlak in Nederland is een gigantische markt. Het type zonnecel dat in dit project werd ontwikkeld kan ook op alle gevels en alle binnenmuren worden gebruikt, vele malen meer oppervlak dan het dakoppervlak. Semitransparante versies kunnen gebruikt worden op broeikassen, glazen vensters en daken, etc., zonder dat het ontwerp of de structuur van gebouwen wordt aangetast. Perspectief en Spin off Het project heeft de volgende spin off: 1. Onmiddellijke spin off van deze ontwikkeling is de integratie van zeer dunne flexibele zonnecellen in veiligheidslabels, e-paper, flexibele beeldschermen, sensors, credit cards, kleding, textiel, etc. Voor draagbare electronische apparaten leveren deze zonnecellen een aanzienlijke verlenging van de batterijlevensduur op en derhalve een reductie van chemisch afval (in de vorm van wegwerpbatterijen), maar ook is de verlengde gebruikstijd en de niet volledige ontlading ook gunstig voor oplaadbare batterijen. EOS LT04030 Universiteit Utrecht 4

8 2. Lichtgewicht zonnecellen maken het transport voordeliger en minder energieverslindend, ten gevolge van het lagere gewicht en de compactere volumes. Milieubewust transport naar bv. ontwikkelingslanden komt eerder in beeld. Transport is ook eenvoudiger omdat het product onbreekbaar is. 3. Toepassingen in de vrijetijdssfeer zijn mogelijk, zoals in tenten, zonne- en windschermen, tassen, rugzakken, kleding, etc. 4. Toepassingen op verpakkingsmateriaal worden mogelijk, zelfs voedselverpakking (vanwege de onschadelijke bestanddelen). 5. Zonne-energie zal alom aanwezig zijn, net als draadloze communicatie. Zonnecellen kunnen dienst doen als de elektrische voeding voor deze draadloze systemen. 6. Tenslotte kan het ultralage gewicht van deze zonnecellen van toepassing zijn voor elektriciteitsvoorziening van satelieten in de ruimte. EOS LT04030 Universiteit Utrecht 5

9 Overzicht publicaties M. Brinza, J.K. Rath, R.E.I. Schropp, Thin film silicon n i p solar cells deposited by VHF PECVD at 100 C substrate temperature, Solar Energy Materials and Solar Cells 93, (2009) 680. doi: /j.solmat Y.Liu, J.K. Rath, R.E.I. Schropp, Development of micromorph tandem solar cells on plastic substrates, 22 nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3-7 September 2007, Milan, Italy (2007). Y. Liu, J.K. Rath, R.E.I. Schropp, Development of Micromorph Tandem Cells on Foil Deposited by VHF-PECVD, Surface and Coatings Technology 201 (2007) doi: /j.surfcoat J.K. Rath, M. de Jong and R.E.I. Schropp, Low temperature (< 100 C) fabrication of thin film silicon solar cells by HWCVD, Thin Solid Films 516 (5) (2008) doi: /j.tsf M. Brinza, C.H.M. van der Werf, J.K. Rath, R.E.I. Schropp, Optoelectronic properties of hot-wire silicon layers deposited at 100 C, J. Non-Cryst. Solids 354 (2008) doi: /j.jnoncrysol R. Bakker, V. Verlaan, C.H.M. van der Werf, Z.S.Houweling, Y.Mai, J.K. Rath and R.E.I. Schropp, Low-Stress Silicon Nitride Deposited at Low Substrate Temperature using Hot-Wire CVD, Annual Workshop on Semiconductor Advances for Future Electronics and Sensors November 2007 J.K. Rath, R.E.I. Schropp, Pere Roca i Cabarocas, F.D. Tichelaar, Thin film silicon devices deposited at 100 C: A study on the structural order of the photoactive layer, J. Non-Cryst. Solids 354 (2008) doi: /j.jnoncrysol J.K. Rath, A.D. Verkerk, Y. Liu, M. Brinza, W.J. Goedheer, R.E.I. Schropp, Gas phase considerations for the growth of device quality nanocrystalline silicon at high rate, Materials Science and Engineering: B (2009) 38. doi: /j.mseb J.K. Rath, Y. Liu, A. Borreman, E.A.G. Hamers, R. Schlatmann, G.J. Jongerden, R.E.I. Schropp, Thin film silicon modules on plastic superstrates, Journal of Non-Crystalline Solids, J. Non-Cryst. Solids 354 (2008) doi: /j.jnoncrysol A. Verkerk, M.M. de Jong, J.K. Rath, M. Brinza, R.E.I. Schropp, W.J. Goedheer, V.V. Krzhizhanovskaya, Y.E. Gorbachev, K.E. Orlov, E.M. Khilkevitch, A.S. Smirnov, Compensation of decreased ion energy by increased hydrogen dilution in plasma deposition of thin film silicon solar cells at low substrate temperatures, Materials Science and Engineering: B (2009) 53. doi: /j.mseb H. Li, C.H.M. van der Werf, A. Borreman, J. K. Rath, Ruud E. I. Schropp, Flexible a-si:h/nc-si:h tandem thin film silicon solar cells on plastic substrates with i-layers made by hot-wire CVD, Physica Status Solidi Rapid Research Letters 2 (4) (2008) R.E.I. Schropp, Hot Wire Chemical Vapor Deposition: Recent Progress, Present State of the Art and Competitive Opportunities, Electrochemical Society Transactions (ECS Transactions, The Electrochemical Society), Volume 25, EuroCVD 17/CVD 17, 2009, p3-14. M. Brinza, G.J. Adriaenssens, J.K. Rath, and R.E.I. Schropp, Transient Photoconductivity Study of the Distribution of Gap States in 100 o C VHF-deposited Hydrogenated Silicon Layers, Mater. Res. Soc. Symp. Proc (2008) 1066-A A. Bink, M. Brinza, J.P.H. Jongen, R.E.I. Schropp, Continuous hot-wire chemical vapor deposition on moving glass substrates, Thin Solid Films 517 (2009) 3588 (Issue 12, Proceedings of the Fifth International Conference on Hot-Wire CVD (Cat-CVD) Process, 30 April 2009). doi: /j.tsf EOS LT04030 Universiteit Utrecht 6

10 Jatindra K. Rath, Yanchao Liu, Monica Brinza, Arjan Verkerk, Caspar van Bommel, A. Borreman, Ruud E.I. Schropp, Recent advances in very high frequency plasma enhanced CVD process for the fabrication of thin film silicon solar cells, Thin Solid Films 517 (2009) doi: /j.tsf M. Brinza, J.K. Rath, and R.E.I. Schropp, Thin film silicon deposited at 100 o C by VHF PECVD: optoelectronic properties and incorporation in solar cells, Phys. Stat. Solidi C 7 (3-4), (2010). J.K. Rath, Y. Liu, M.M. de Jong, J. De Wild, J.A. Schuttauf, M. Brinza, R.E.I. Schropp, Transparent conducting oxide layers for thin film silicon solar cells, Thin Solid Films 518 (2010) e219-e135. doi: /j.tsf J.K. Rath, M. Brinza, Y. Liu, A. Borreman, and R.E.I. Schropp, Fabrication of thin film silicon solar cells by very high frequency PECVD, Solar Energy Materials and Solar Cells 94 9 (2010) doi: /j.solmat Rapport te bestellen bij: E. de Haas Secretariaat Afdeling Nanophotonics Universiteit Utrecht Departement Natuur- en Sterrenkunde Debye Instituut Postbus , 3508 TA Utrecht Tel (31) , Fax (31) e.dehaas@uu.nl - Prijs eindrapport: Contactpersoon Prof.dr. R.E.I. Schropp Universiteit Utrecht Departement Natuur- en Sterrenkunde Debye Instituut Afdeling Nanophotonics Postbus , 3508 TA Utrecht Tel (31) , Fax (31) R.E.I.Schropp@uu.nl Dit project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, Landbouw, en Innovatie; regeling EOS: Lange Termijn uitgevoerd door Agentschap NL. EOS LT04030 Universiteit Utrecht 7