Lav-kost solceller –Tynnfilmteknologi
(Oversikt over solcelleteknologier Teknologikappløpet i PV bransjen)
Adam Hultqvist
Solenergidagen, Blindern, Oslo, 22:a april 2010
Översikt
Grunder om solceller
Olika typer/generationer av solceller
- Generation 1, Waferteknologi
- Generation 2, Tunnfilmsteknik
- Koncentratorsolceller
- Generation 3, Nya koncept
Marknad för olika tekniker
Sammanfattning
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Tunnfilmsforskning på Ångström
Grunder om solceller
En solcell är en enhet som omvandlar ljus direkt till elektricitet
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Grunder om solceller
En solcell är en enhet som omvandlar ljus direkt till elektricitet
Solcell
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Grunder om solceller
En solcell är en enhet som omvandlar ljus direkt till elektricitet
Stereo
Solcell
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Grunder om solceller
En solcell är en enhet som omvandlar ljus direkt till elektricitet
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Grunder om solceller
Uteffekten, P, från en solcell bestäms av dess spänning, V,
och ström, I. (P = V * I)
Spänningen beror på avståndet mellan så kallade
energinivåer i solcellsmaterialet
Energinivåer
Elektroner
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Grunder om solceller
Uteffekten, P, från en solcell bestäms av dess spänning, V,
och ström, I. (P = V * I)
Spänningen beror på avståndet mellan så kallade
energinivåer i solcellsmaterialet
Energinivåer
Elektroner
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Instrålat ljus
Elektron exciteras
Grunder om solceller
Uteffekten, P, från en solcell bestäms av dess spänning, V,
och ström, I. (P = V * I)
Spänningen beror på avståndet mellan så kallade
energinivåer i solcellsmaterialet
Exciterad elektron
Energinivåer
Elektroner
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Instrålat ljus
Elektron exciteras
Alltså desto större skillnaden är mellan energinivåerna desto
större blir solcellens spänning, V, och därmed dess uteffekt, P
E=q*V
eller
V=E/q
Grunder om solceller
Uteffekten, P, från en solcell bestäms av
dess spänning, V, och ström, I. (P = V * I)
Fotonenergi
Material 3
Strömmen, I, bestäms av hur många
fotoner (ljuspartiklar) som absorberas
Material 2
Material 1
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Grunder om solceller
Uteffekten, P, från en solcell bestäms av
dess spänning, V, och ström, I. (P = V * I)
Fotonenergi
Strömmen, I, bestäms av hur många
fotoner (ljuspartiklar) som absorberas
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Grunder om solceller
Uteffekten, P, från en solcell bestäms av
dess spänning, V, och ström, I. (P = V * I)
Fotonenergi
Strömmen, I, bestäms av hur många
fotoner (ljuspartiklar) som absorberas
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Grunder om solceller
Uteffekten, P, från en solcell bestäms av
dess spänning, V, och ström, I. (P = V * I)
Fotonenergi
Strömmen, I, bestäms av hur många
fotoner (ljuspartiklar) som absorberas
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Grunder om solceller
Uteffekten, P, från en solcell bestäms av
dess spänning, V, och ström, I. (P = V * I)
Fotonenergi
Strömmen, I, bestäms av hur många
fotoner (ljuspartiklar) som absorberas
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Grunder om solceller
Uteffekten, P, från en solcell bestäms av
dess spänning, V, och ström, I. (P = V * I)
Fotonenergi
Strömmen, I, bestäms av hur många
fotoner (ljuspartiklar) som absorberas
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Desto mindre skillnaden är mellan
energinivåerna desto mer ljus
absorberas och desto större blir
strömmen, I
Grunder om solceller
Det finns alltså en ”trade off” mellan att ha en stor skillnad
mellan energinivåerna och få en hög spänning och att ha en liten
skillnad och få en hög ström
Solljusets instrålning avgör vad avståndet mellan energinivåerna
skall vara för att få så hög effekt som möjligt
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
(Courtesy of Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet)
Grunder om solceller
Det finns alltså en ”trade off” mellan att ha en stor skillnad
mellan energinivåerna och få en hög spänning och att ha en liten
skillnad och få en hög ström
Solljusets instrålning avgör vad avståndet mellan energinivåerna
skall vara för att få så hög effekt som möjligt
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
(Courtesy of Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet)
Grunder om solceller
Det finns alltså en ”trade off” mellan att ha en stor skillnad
mellan energinivåerna och få en hög spänning och att ha en liten
skillnad och få en hög ström
Solljusets instrålning avgör vad avståndet mellan energinivåerna
skall vara för att få så hög effekt som möjligt
Den högsta
teoretiska
verkningsgraden
för en solcell blir
därför endast 28%
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
(Courtesy of Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet)
Diagram över olika generationer
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Tunnfilm
(Courtesy of PhysicsWorld)
Wafer
Generation 1: Waferteknologi
Waferteknologi baseras på tunna skivor med en tjocklek på ett
par tiondels millimeter (100 - 300 μm eller mikrometer)
Normalt sett består skivorna av Si (Kisel/Silisium) och av
antingen en enda kristall (mono) eller utav flera (poly)
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Solcell
Solcellsmodul
(ihopkopplade solceller)
Generation 1: Waferteknologi
Fördelar
Nackdelar
Hög verkningsgrad
(10-20% på moduler)
Måste rena Si, vilket kräver
mycket energi för en 100 –
300 μm tjock skiva
Utvecklad teknik för
massproduktion
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Cellerna måste lödas ihop till
moduler
Si finns i en stor mängd i
jordskorpan (abundant)
Högt tillverkningspris per W
Kan även göras med GaAs
och få ännu högre
verkningsgrad
Förekommer ett sällsynt
ämne under tillverkning Ag
(Silver)
Generation 2: Tunnfilmsteknologi
Tunnfilmsteknologi som namnet antyder baseras på tunna skikt
med en tjocklek på ett par tusendels millimeter (1 - 3 μm eller
mikrometer)
De vanligaste materialen som absorberar solljus i
tunnfilmssolceller är a-Si (amorft silsium/kisel), CdTe och
Cu(In,Ga)Se2
Solcellsmaterial
(1-3 μm)
Si (eller GaAs)
Wafer-solcell
Generation 1
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
200 μm
Substrat, består
oftast av glas,
men fungerar
även på plast
eller metall
Generation 2
2000 μm
Generation 2: Tunnfilmsteknologi
Precis som för Si räcker det inte med enbart ett absorberande
material, utan kontaktering tillkommer plus eventuellt andra lager
En typisk struktur har ett substrat, en metallisk bakkontakt, ett
absorberande material, och en transparent framkontakt
Framkontakt
Absorberande skikt
Bakkontakt
Substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Transparent conducting oxide (TCO)
eller en genomskinlig och ledande oxid
(syreförening) t.ex. InSnO (ITO), ZnO, SnO2
Absorberande skikt t.ex. Cu(In,Ga)Se2,
a-Si, CdTe
Bakkontakt ofta en metall med hög
ljusreflektion och bra ledningsförmåga
t.ex. Ag, Mo (Molybden), Cu-legering
Substrat ofta glas, men kan vara av flexibel
typ t.ex. plast eller stål
Generation 2: Tunnfilmsteknologi
Det går även att vända på ordningen som materialen skapas så
att man börjar med framkontakten, så kallad superstrate
Substrat
Framkontakt
Framkontakt
Absorberande skikt
Absorberande skikt
Bakkontakt
Bakkontakt
Substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Normal struktur, används
kommersiellt för Cu(In,Ga)Se2
Superstrate, används
kommersiellt för a-Si och CdTe
Generation 2: Tunnfilmsteknologi
Seriekoppling av solcellerna görs under tillverkningen genom
mekanisk eller lasermönstring, så kallad scribing
Framkontakt
Absorberande skikt
Bakkontakt
Substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Generation 2: Tunnfilmsteknologi
Bakkontakten deponeras på substratet
Bakkontakt
Substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Generation 2: Tunnfilmsteknologi
Första mönstringen (även kallad P1),
isolerar bakkontakterna från varandra
Bakkontakt
Substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Generation 2: Tunnfilmsteknologi
Det absorberande skiktet deponeras ovanpå den ritsade
bakkontakten
Absorberande skikt
Bakkontakt
Substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Generation 2: Tunnfilmsteknologi
Andra mönstringen (även kallad P2), isolerar
de absoberande skikten från varandra
Absorberande skikt
Bakkontakt
Substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Generation 2: Tunnfilmsteknologi
Framkontakten deponeras på det ritsade absorberande skiktet
Framkontakt
Absorberande skikt
Bakkontakt
Substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Generation 2: Tunnfilmsteknologi
Tredje mönstringen (även kallad P3), isolerar
framkontakterna från varandra
Framkontakt
Absorberande
skikt
Bakkontakt
Substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Generation 2: Tunnfilmsteknologi
Cellerna är nu seriekopplade och strömmen går från bakkontakt
genom absorberande skiktet till framkontakten och till nästa
bakkontakt därifrån
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Det finns inga geometriska begränsningar för mönstringen,
tekniken kan alltså användas på godtycklig substratstorlek
Generation 2: Tunnfilmsteknologi
Fördelar
Nackdelar
Kräver lite material och
energi att tillverka
Låg verkningsgrad (8-12 %)
Lågt tillverkningspris per W
Tekniken kräver ett bärande
substrat
Möjlighet att koppla ihop
celler under tillverkningen
Inte ovanligt att sällsynta
material ingår
Möjlighet att skapa cellerna
på flexibla substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Strukturen fungerar för
många olika
materialkombinationer
Koncentratorsolceller
Lins
~1
m2
Vanlig solinstrålning på solcell
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
~1 cm2
Koncentrerad solinstrålning på solcell
För att det ska vara lönsamt att använda koncentrerat
ljus måste solcellen ha en mycket hög verkningsgrad
Koncentratorsolceller
Den högsta verkningsgraden för en cell är idag 26 % (GaAs)
Men genom att stapla celler som är specialiserade på vissa delar av
spektrumet kan verkningsgraden ökas till 45 % med koncentrerat ljus
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
(Courtesy of Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet)
Koncentratorsolceller
Den högsta verkningsgraden för en cell är idag 26 % (GaAs)
Men genom att stapla celler som är specialiserade på vissa delar av
spektrumet kan verkningsgraden ökas till 45 % med koncentrerat ljus
Metallkontakter
Cell1
Mellanlager
Cell1
Välordnat substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
(Courtesy of Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet)
Koncentratorsolceller
Den högsta verkningsgraden för en cell är idag 26 % (GaAs)
Men genom att stapla celler som är specialiserade på vissa delar av
spektrumet kan verkningsgraden ökas till 45 % med koncentrerat ljus
Metallkontakter
Cell2
Cell1
Mellanlager
Cell2
Mellanlager
Cell1
Välordnat substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
(Courtesy of Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet)
Koncentratorsolceller
Den högsta verkningsgraden för en cell är idag 26 % (GaAs)
Men genom att stapla celler som är specialiserade på vissa delar av
spektrumet kan verkningsgraden ökas till 45 % med koncentrerat ljus
Metallkontakter
Cell3
Cell2
Cell1
Mellanlager
Cell3
Mellanlager
Cell2
Mellanlager
Cell1
Välordnat substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
(Courtesy of Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet)
Koncentratorsolceller
Den högsta verkningsgraden för en cell är idag 26 % (GaAs)
Men genom att stapla celler som är specialiserade på vissa delar av
spektrumet kan verkningsgraden ökas till 45 % med koncentrerat ljus
Metallkontakter
Cell3
Cell2
Mellanlager
Cell1
Cell3
Mellanlager
3-5 μm
Cell2
Mellanlager
Cell1
Välordnat substrat
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
(Courtesy of Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet)
Komplicerad struktur som
kräver hög precision att tillverka
Koncentratorsolceller
Fördelar
Nackdelar
Väldigt hög verkningsgrad
för koncentrerat ljus (40 %)
Kräver koncentrerat ljus för
att kunna konkurrera i pris
Lite material används för
varje solcell
Komplicerad struktur som
kräver känslig utrustning för
att kunna tillverkas
Bra även utan koncentrat
solljus för tillämpningar där
utrymme och vikt begränsar
t.ex. satelliter, bilar,
marslandare
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Just nu väldigt högt
tillverkningspris per W
Flertalet sällsynta material
ingår
Generation 3: Nya koncept
Öka verkningsgraden på ett enkelt sätt
Få ner kostnaden per watt
Helst båda två samtidigt
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
(Courtesy of PhysicsWorld)
Generation 3: Nya koncept
Öka verkningsgraden på ett enkelt sätt
Kombinera generation 2 (eller generation 1) med koncentratorsolceller,
d.v.s. täck stora ytor med staplade tunnfilmssolceller (finns i viss mån
redan för a-Si)
Elektronmultiplikation, excitera mer än en elektron från varje foton
Ned(/Upp)konvertering, skapa två lågenergifotoner av en högenergetisk
(eller tvärt om), vilket leder till lägre effektförluster
Inför en tredje energinivå mellan de ursprungliga, vilket leder till lägre
effektförluster
Lågdimensionella solceller (kvantprickar, nanotråda, nanorör) som har
bra ledningförmåga och därmed lägre effektförluster
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
…….
Generation 3: Nya koncept
Få ner kostnaden per watt genom billiga material
Färgämnesbaserade solceller (Grätzel), begränsas just nu av
färgämnet
Plastsolceller, kräver just nu komplexa molekyler som är dyra att
framställa
Imitationer av fotosyntesen
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Generation 3: Nya koncept
Fördelar
Nackdelar
Det finns oerhörd teoretisk
potential
En del praktiska hinder finns
kvar att besegra
Inte industrialiserat ännu,
bortsett från en
pilotanläggning för
färgämnesbaserade solceller
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Marknad för olika tekniker
Generation 3 - en handfull pilotfabriker
Koncentrerande – liten produktion för
nischtillämpningar samt ett antal mindre
testanläggnigar
Generation 1 – dominerar just nu
marknaden
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Generation 2 – växer starkt och tar hela
tiden marknadsandelar av generation 1
Marknad för olika tekniker
Modultillverkning 2007 (totalt 2800 MW)
Thin film
13%
Modultillverkning 2008 (totalt 3810 MW)
Thin film
22%
Wafer
87%
Wafer
78%
Effekterna är hämtade från IEA-PVPS länder och inkluderar t.ex. INTE Kina
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Men! Solarbuzz uppskattade tunnfilmsandelen 2009 till 18 % för HELA marknaden!
Marknad för olika tekniker
3.5
Mono Si, Gen. 1
Poly S, Gen. 1
3
Pris [EUR/W]
a-S, Gen. 2
CdTe (FirstSolar), Gen. 2
2.5
2
1.5
1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Veckonummer
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Tyska spotpriser under 2009, baserat på data från Photon International
Marknad för olika tekniker
Stora generation 1 företag
REC
Q-Cells
Sharp
Yingli
Suntech
…..
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Marknad för olika tekniker
Stora generation 2 företag
CdTe
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
First Solar – Först med att producera mer än 1000 MW (1GW)
under ett år och först med en tillverkningskostnad
under 1 $/W
a-Si
Kaneka 40 MW
Sharp 94 MW
Mitsubishi Electric 42 MW
United Solar Ovonic 123 MW
Sunfilm 60 MW
Trony 50 MW
Moser Baer 40 MW
Bosch Solar Energy 30 MW
EPV 30 MW
Cu(In,Ga)Se2
Würth Solar 30 MW
Honda Motor 28 MW
Solar Frontier (Showa Shell) 43 MW
Solyndra 30 MW
Solibro 14 MW
Marknad för olika tekniker
(Courtesy of Juwi)
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Världens tredje största anläggning på 53 MW i Lieberose, Tyskland
Anläggningen består av 700000 First Solar CdTe tunnfilmsmoduler
Marknad för olika tekniker
Början av 2009
Låg efterfrågan på grund av finanskris och överproduktion
Detta gynnade tunnfilmsmoduler som var billigast på marknaden
Slutet av 2009
Konjunkturen gick upp, efterfrågan ökade och produktionen var kontrollerad
Även de lite dyrare modulerna började säljas igen
Början av 2010
Fortsatt stor efterfrågan
Alla vill bygga system innan de nya subventionsnedskärningarna startar
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Vad händer sedan? Låg efterfrågan återigen? Har företagen lärt sig läxan?
Sammanfattning
En solcells verkningsgrad begränsas till 28 % på grund av grundläggande fysik
och utav solinstrålningens natur
Det finns fyra huvudgrupper av solcellestekniker generation 1, 2, 3 och
koncentrator
Alla av dessa grupper har fördelar och nackdelar
Generation 2, tunnfilmsteknik, kräver lite material, undviker lödningar, kan
läggas på flexibla material och har en låg tillverkningskostnad per W, men har
en förhållandevis låg verkningsgrad, kan innehålla sällsynta ämnen och kräver
ett bärande substrat
Marknaden domineras av generation 1 (~80%), men generation 2 (~20%)
växer snabbt och tar marknadsandelar på grund av ett lågt pris per W
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Det finns en utvecklad industri och installation runt tunnfilmer, t.ex. är företaget
First Solar världens största producent av solcellsmoduler
Det är svårt prognostisera resten av 2010 på grund av subventionsändringarna
Tunnfilmsforskning i Uppsala
Jobbar främst med Cu(In,Ga)Se2 solceller
Vår bästa cellverkningsgrad är 18.5 % (20 % är världsledande), vår bästa
minimodulverkningsgrad är 16.6 % vilket är världsledande
Förbättra det ljusabsorberande Cu(In,Ga)Se2 skiktet
Byta ut CdS lagret mot ett icke giftigt material och samtidigt förbättra solcellerna
Sputtra Cu(In,Ga)Se2 skiktet istället för att som idag samförånga det
Använda flexibla substrat, i det här fallet stål
Industriella samarbetspartners: Solibro (Solibros fullstora moduler har som mest
kommit upp i 12 %), M2 Engineering
Har även precis börjat jobba med Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4 tunfilmssolceller
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Till sist…
Tack för visat intresse!
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010
Länkar
Intressanta länkar
http://www.iea-pvps.org
http://www.pvresources.com
http://www.photon-magazine.com
http://www.epia.org
http://www.solarelectricpower.org
http://www.pv-tech.org
http://www.solarbuzz.com
http://www.asc.angstrom.uu.se
Adam Hultqvist
Solenergidagen
Blindern, Oslo
22:a april 2010