Hoogrendement Zonnecellen Concepten voor de volgende generatie cellen

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "Hoogrendement Zonnecellen Concepten voor de volgende generatie cellen"

Koenraad Bauwens
8 jaren geleden
Aantal bezoeken:

1 Hoogrendement Zonnecellen Concepten voor de volgende generatie cellen John Schermer Applied Materials Science Radboud Universiteit Nijmegen Inhoud Wat krijgen we van de zon? De c-si PV benchmark III-V zonnecellen & CPV Epitaxiaal Lift-Off Zonnespectrum Air Mass 1.5 AM1.5 dampkring AM1 zonlicht AM W/m 2 Standaard Test Condities (STC) voor PV modules AM1.5 Jaarlijks in Nederland 1000 W/m 2 = 1kW/m uur "volle zon" 25 o C 1000 kwh/m 2

De c-si PV benchmark III-V zonnecellen & CPV Epitaxiaal Lift-Off Zonnespectrum Air Mass 1.5 AM1.

2 Spectrale verdeling van zonlicht Vermogensverdeling [W/(m 2.nm)] UV Zichtbaar IR 6000K zwarte straler AM0 spectrum 1350 W/m 2 AM1.5 spectrum 1000 W/m 2 water gaten O 2 O Golflengte [nm] Ingestraald en omzetbaar vermogen 1.6 uv zichtbaar infra rood Zonnespectrum (AM1.5-G, 1000 W/m 2 ) Vermogen [W/(m 2.nm)] Theoretisch omzetbaar met silicium cel: 27% Gangbaar commercieel Si-paneel: 17% overschot fotonenergie wordt niet omgezet in elektriciteit fotonenergie onvoldoende voor excitatie over E b Golflengte [nm]

6 uv zichtbaar infra rood Zonnespectrum (AM1.5-G, 1000 W/m 2 ) Vermogen [W/(m 2.nm)] 1.2 0.8 0.

3 Zonnecelgroep Radboud Universiteit Kristalgroei Celprocessing Celanalyse snelle feed back State-of-the-art faciliteiten >20 jaar expertise - Wereldrecord zonnecellen - Samenwerking met bedrijven - Start-ups Wat zijn III-V halfgeleiders? Kristallen gevormd door een 1 op 1 combinatie van elementen uit groep III en V van het periodiek systeem I II III IV V VI VII VIII H 1 He 2 Li 3 Be 4 B 5 C 6 N 7 O 8 F 9 Ne 10 Na 11 K 19 Rb 37 Cs 55 Fr 87 Mg 12 Ca 20 Sr 38 Ba 56 Ra 88 Sc 21 Y 39 La 57 Ac 89 Ti 22 Zr 40 Hf 72 V 23 Nb 41 Ta 73 Cr 24 Mo 42 W 74 Mn 25 Tc 43 Re 75 Fe 26 Ru 44 Os 76 Co 27 Rh 45 Ir 77 Ni 28 Pd 46 Pt 78 Cu 29 Ag 47 Au 79 Zn 30 Cd 48 Hg 80 Al 13 Ga 31 In 49 Tl 81 Si 14 Ge 32 Sn 50 Pb 82 P 15 As 33 Sb 51 Bi 83 S 16 Se 34 Te 52 Po 84 Cl 17 Br 35 I 53 At 85 Ar 18 Kr 36 Xe 54 Rn 86 III B 5 Al 13 C 6 Si 14 V N 7 P 15 Bij gebruik van juiste ondergrond (kristal wafer) Eénkristallijne films van 'willekeurige samenstelling' materialen als: GaAs, InN, AlInP, InGaP, AlGaAsP, etc. eigenschappen te tunen door samenstelling aan te passen materiaal dat mooi "past" op het zonnespectrum: GaAs Ga 31 In 49 Ge 32 Sn 50 As 33 Sb 51

Kristallen gevormd door een 1 op 1 combinatie van elementen uit groep III en V van het periodiek systeem I II III IV V VI VII VIII H 1 He 2 Li 3 Be 4 B 5 C 6 N 7 O 8 F 9 Ne 10 Na 11 K 19 Rb 37 Cs 55

4 Van enkelvoudige naar meervoudige cellen Enkelvoudige III-V cel GaAs (theorie: 28%) WR: 25.1% (Kopin,VS, 1990) 26.1% (Radboud, 2007) voorcontact / ARC Triple-junctie III-V cel InGaP/GaAs/Ge (theorie: 40%) WR: 32% (Spectrolab,VS, 2003) 0.5 µm InGaP cel 3 µm GaAs cel 3 µm GaAs cel tunnel-junctie transparante contactlaag III-V materiaal!!! 300 µm Ge substraat 300 µm Ge cel en substraat achtercontact Ingestraald en omzetbaar vermogen 1.6 uv zichtbaar infra rood Vermogen [W/(m 2.nm)] Zonnespectrum (AM1.5-G, 1000 W/m 2 ) Omzetbaar met InGaP cel Omzetbaar met GaAs cel Omzetbaar met Ge cel 40% 1 zon 33.2% met Ge bodemcel 37.9% met InGaAs bodemcel Golflengte [nm]

5 µm InGaP cel 3 µm GaAs cel 3 µm GaAs cel tunnel-junctie transparante contactlaag III-V materiaal!

5 Toepassing III-V cellen in de ruimtevaart credits: JAXA Mars Rover, credits: NASA Nuna 3, credits: David Hancock Toepassing III-V cellen in concentrators credits: solar systems 130 m2 spiegeloppervlak gefocusseerd op 0.25 m2 zonnecellen (520x) Dure zonnecellen (ultra-zuivere halfgeleiders) vervangen door goedkope spiegels en lenzen (metaal, glas, plastic) Bonus: vermogen neemt meer dan lineair toe met concentratiefactor (rendement toename)

op 0.25 m2 zonnecellen (520x) Dure zonnecellen (ultra-zuivere halfgeleiders) vervangen door goedkope spiegels

6 Toepassing III-V cellen in concentrators Fresnel lens Azur Solar 900 III-V cellen / 4" wafer cell mount heat sink secondary optics Single-cell receiver assembly Circadian Solar 12 receiver module 20x60 cm 2 Slechts 6 in plaats van 3000 wafers om 30 m 2 zoninstraling te oogsten Dure halfgeleider zonnecellen vervangen door goedkope plastic lenzen Power Field SOITEC-Concentrix (ISE Fraunhofer) 120 module tracker 30 m 2 Perspectieven verdere kostenreductie 1) Voortgaande verbetering van celrendement commercieel beschikbaar 36% 40% (Spectrolab) >45% gerapporteerd door Spectrolab/NREL en ISE Fraunhofer >50% in ontwikkeling (o.a. bij Radboud) multi-junctie alternatieve benadering (QDs, nano-wires, up/down conv.) 2) Kostenreductie door Building Integrated PV (BIPV) systemen 2 e functionaliteit naast electriciteitproductie Diverse innovatieve concentrator benaderingen - SunCycle: elektriciteit + warmte - SolarSwing: elektriciteit + daglichtregulatie 3) Kostenreductie door wafer hergebruik Epitaxiaal Lift-Off (Radboud) Spalling (IBM)

120 module tracker 30 m 2 Perspectieven verdere kostenreductie 1) Voortgaande verbetering van celrendement commercieel beschikbaar 36% 40% (Spectrolab) >45% gerapporteerd door Spectrolab/NREL en ISE

7 Het Epitaxiaal Lift-Off (ELO) concept Huidig productieproces kristal wafer (200 µm) depositie (epitaxie) celstructuur (3 µm) Radboud dunne-film cel proces kristal wafer (200 µm) depositie (epitaxie) scheidingslaag (0.01 µm) & celstructuur (3 µm) aanbrengen contacten & ARC hergebruik Epitaxiaal Lift-Off (ELO) overzetten naar drager aanbrengen contacten & ARC Hoogrendement III-V zonnecel op dure wafer Hoogrendement III-V cel op goedkope drager Meer vermogen uit minder cel wafer gebaseerde cel grid contact / ARC Radboud ontwerp 3.5 µm p-gaas basis 200 µm GaAs substraat Voordelen depositietijd (40%) substraatkosten (50%) gewicht (85%) rendement? 2 µm p-gaas basis achtercontact / reflector achtercontact

01 µm) & celstructuur (3 µm) aanbrengen contacten & ARC hergebruik Epitaxiaal Lift-Off (ELO) overzetten naar drager aanbrengen contacten & ARC Hoogrendement III-V zonnecel op

8 Processing dunne-film GaAs cellen 1996: eerste dunne-film GaAs cel (η =10%) Uitdagingen - geen "standaard" processing technologie/apparatuur - dunne III-V film en de nieuwe drager hebben verschillende materiaaleigenschappen procesontwikkeling & lange adem World record celrendementen 2005: 24.5% dunne-film cel (2 µm) 1) 2008: 26.1% substrate cel (3.5 µm) 2) 2009: 26.1% dunne-film cel (2 µm) 2) 2011: 28.8% dunne-film cel door AltaDevices 1) Schermer et al. Thin Sol. Films 511 (2006) 645 2) Bauhuis et al. Sol. Ener. Mat.&Sol. Cells 93 (2009) 1488 Dunne-film cel op metaalfolie Voor ruimtevaart i.s.m. Dutch Space Industriele belangstelling Vestiging van start-up tf2 devices joint-venture Circadian Solar & Radboud Universiteit

5 µm) 2) 2009: 26.1% dunne-film cel (2 µm) 2) 2011: 28.8% dunne-film cel door AltaDevices 1) Schermer et al. Thin Sol. Films 511 (2006) 645 2) Bauhuis et al. Sol. Ener. Mat.&Sol.

9 Beste laboratorium celrendementen Beste dunne-film cellen Spire Spectrolab (4 cm2, 1-sun) Amonix (92x) UNSW IES-UPM (1026x) (232x) Radboud Univ. Solar Junction Radboud Univ.

10 Samenvatting/context Werking zonnecel Interactie zonnespectrum met intrinsiek E-veld in een halfgeleiderstructuur Maximaal haalbaar rendement bepaald door bandafstand Huidige zonnecelmarkt Gedomineerd door (multi)kristallijn silicium panelen (15-19%) Nadeel: kristalwafer gebaseerde indirecte halfgeleider veel kostbaar halfgeleider materiaal nodig Oplossing Potentieel lage kosten met directe halfgeleiders dunne-film cellen a-si, CIS, CdTe: polykristallijn of amorf recombinatie dus laag rendement (8-12%) III-V halfgeleiders: eenkristallijn materiaal van zeer hoge kwaliteit Nadeel: kristalwafer als productieplatform nodig te hoge kosten Ontwikkeling: a) rendementstoename via geavanceerde multi-junctie cellen (>45%, >50%!) b) kostenreductie via: - lift-off proces (100x minder materiaal) - concentrators (1000x minder materiaal) x minder halfgeleidermateriaal voor dezelfde elektriciteitopbrengst! Van idee naar toepassing Infrastructuur kunde lange adem Dank u voor uw aandacht Vragen?

directe halfgeleiders dunne-film cellen a-si, CIS, CdTe: polykristallijn of amorf recombinatie dus laag rendement (8-12%) III-V halfgeleiders: eenkristallijn materiaal van zeer hoge kwaliteit Nadeel:

Vergelijkbare documenten

Deel 2. Basiskennis chemie

Deel 2. Basiskennis chemie Achteraan vind je een periodiek systeem van de elementen. Gebruik dit waar nodig. Vraag 21 Koolstofmonoxide (C) kan gesynthetiseerd worden door stoom met methaan (CH4 ) te laten