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
AM1 zonlicht
AM0 1350 W/m2 Standaard Test Condities (STC) voor PV modules • AM1.5 Jaarlijks in Nederland • 1000 W/m2 = 1kW/m2 ∼1000 uur "volle zon" • 25 oC 1000 kWh/m2
dampkring
Spectrale verdeling van zonlicht Vermogensverdeling [W/(m2.nm)]
2.5
UV
Zichtbaar
IR
2.0
6000K zwarte straler AM0 spectrum 1350 W/m2
1.5
AM1.5 spectrum 1000 W/m2 1.0
water gaten O2 O3
0.5
0 0
400
800
1200
1600
2000
Golflengte [nm]
Ingestraald en omzetbaar vermogen uv
zichtbaar
infra rood
1.6
Vermogen [W/(m2.nm)]
Zonnespectrum (AM1.5-G, 1000 W/m2) Theoretisch omzetbaar met silicium cel: 27% 1.2
Gangbaar commercieel Si-paneel: 17% overschot fotonenergie wordt niet omgezet in elektriciteit
0.8
fotonenergie onvoldoende voor excitatie over Eb
0.4
0.0 400
800
1200
1600
Golflengte [nm]
2000
2400
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
Li 3
Be 4
B 5
C 6
N 7
O 8
F 9
Ne 10
Na 11
Mg 12
Al 13
Si 14
P 15
S 16
Cl 17
Ar 18
K 19
Ca 20
Sc 21
Ti 22
V 23
Cr 24
Mn 25
Fe 26
Co 27
Ni 28
Cu 29
Zn 30
Ga 31
Ge 32
As 33
Se 34
Br 35
Kr 36
Rb 37
Sr 38
Y 39
Zr 40
Nb 41
Mo 42
Tc 43
Ru 44
Rh 45
Pd 46
Ag 47
Cd 48
In 49
Sn 50
Sb 51
Te 52
I 53
Xe 54
Cs 55
Ba 56
La 57
Hf 72
Ta 73
W 74
Re 75
Os 76
Ir 77
Pt 78
Au 79
Hg 80
Tl 81
Pb 82
Bi 83
Po 84
At 85
Rn 86
Fr 87
Ra 88
Ac 89
H 1
He 2
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
III
V
B 5
C 6
N 7
Al 13
Si 14
P 15
Ga 31
Ge 32
As 33
In 49
Sn 50
Sb 51
Van enkelvoudige naar meervoudige cellen Enkelvoudige III-V cel
Triple-junctie III-V cel
GaAs (theorie: 28%) WR: 25.1% (Kopin,VS, 1990)
InGaP/GaAs/Ge (theorie: 40%) WR: 32% (Spectrolab,VS, 2003)
26.1% (Radboud, 2007) 0.5 µm InGaP cel
voorcontact / ARC
tunnel-junctie transparante contactlaag III-V materiaal !!!
3 µm GaAs cel
3 µm GaAs cel
300 µm Ge cel en substraat
300 µm Ge substraat
achtercontact
Ingestraald en omzetbaar vermogen uv
zichtbaar
infra rood
1.6
Vermogen [W/(m2.nm)]
Zonnespectrum (AM1.5-G, 1000 W/m2) Omzetbaar met InGaP cel
1.2
Omzetbaar met GaAs cel Omzetbaar met Ge cel
0.8
40% Rendement @ 1 zon 33.2% met Ge bodemcel 37.9% met InGaAs bodemcel
0.4
0.0 400
800
1200
1600
Golflengte [nm]
2000
2400
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)
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 cm2
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 m2
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 2e functionaliteit naast electriciteitproductie Diverse innovatieve concentrator benaderingen - SunCycle: elektriciteit + warmte - SolarSwing: elektriciteit + daglichtregulatie
3) Kostenreductie door wafer hergebruik Epitaxiaal Lift-Off (Radboud) Spalling (IBM)
Het Epitaxiaal Lift-Off (ELO) concept Huidig productieproces
Radboud dunne-film cel proces
kristal wafer (200 µm)
kristal wafer (200 µm) depositie (epitaxie) scheidingslaag (0.01 µm) & celstructuur (3 µm) hergebruik
depositie (epitaxie) celstructuur (3 µm)
Epitaxiaal Lift-Off (ELO)
aanbrengen contacten & ARC
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
Radboud ontwerp grid contact / ARC 2 µm p-GaAs basis
3.5 µm p-GaAs basis
Voordelen depositietijd (40%) substraatkosten (50%) gewicht (85%) rendement ? 200 µm GaAs substraat
achtercontact
achtercontact / reflector
Processing dunne-film GaAs cellen 1996: eerste dunne-film GaAs cel (η 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
Voor CPV i.s.m. diverse partners
4x4 mm2 cel op chip
Industriele belangstelling >10 A @ 2500 zon Vestiging van start-up tf2 devices joint-venture Circadian Solar & Radboud Universiteit
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.
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)
100.000x minder halfgeleidermateriaal voor dezelfde elektriciteitopbrengst !
Van idee naar toepassing Infrastructuur kunde lange adem
Dank u voor uw aandacht Vragen ?
