Elen direkt från solen. - en otrolig utveckling?

Elen direkt från solen - en otrolig utveckling? Uwe Zimmermann Uppsala University, Sweden

För 50 år sedan...

Innehåll Solen som energikälla Solceller en global marknad Vad är en solcell? Vad är en modul? Vad är en system?...och sen?

Solen DEN fungerande fusionsreaktorn! NASA.gov & www.wikipedia.org

4 10 26 W 1367 W/m 2 2 10 17 W 150 miljoner km sett från jorden upptar solen en cirkel med en diameter på ½ grad på himmeln ljuset från solen kan betraktas som parallel strålning på jorden solens spektrum bestäms av fotosfären och motsvara en svart kropp på ca 6000 K

Atmosfärens påverkan atmosfäriska gaser absorberar ljuset (O 2, O 3, H 2 O, CO 2 ) enligt Lambert-Beer-lagen absorptionen mäts i airmass (AM) och karakteriserar solens spektrum AM 0 finns utanför jordens atmosfär AM 1 motsvarar lodrätt infall vid ekvatorn (1x atmosfärens tjocklek) AM 1.5 har valts som internationell standard, det motsvarar solens höjd i Uppsala på våren och hösten mitt på dagen AM 1 d atm θ z = 48 AM 0 1.5 d θ d atm atm z AM 1.5 1 air mass θ z 80 cos θz

Solens spektrum Handbook of Geophysics and Space Environments, McGraw-Hill, New York, 1965.

Pyrheliometer instrumentet mäter den direkta instrålningen ljuset fokuseras på en absorber som absorber all infallande strålningsenergi temperaturdifferensen mellan absorber och omgivning mäts med ett termoelement temperaturdifferensen bestäms av den instrålade energin och värmeledningsförmogan i instrumentet absorber T 2 t.ex. Fe t.ex. Cu-Ni referenstemperatur T 1 V = f(t 2 -T 1 ) Knut Ångström, ~1900

Pyranometer värmeisolerande glaskupol absorber T 2 referenstemperatur T 1 fungerar enligt samma princip som pyrheliometern släpper in ljus från hela hemisfären, mäter både direkt och diffus (=global) insträlning består ofta of flera seriekopplade termoelement (= thermopile ) för att kunna mäta betydligt mindre temperaturskillnader än pyrheliometern

N 23.5 θ z Uppsala 59 50 N S Θ z = 59.8 +23.5 83 Solhöjden kl 12 för Uppsala: 90-83 = 7 100 W/m 2 mot horisontalplanet en klar dag AM 8

N 23.5 θ z Uppsala 59 50 N S Θ z = 59.8-23.5 = 36.3 Solhöjden kl 12 för Uppsala: 90-36.3 = 53.7 900 W/m 2 mot horisontalplanet en klar dag AM 1.2

Solinstrålningen i hela världen på horisontell yta i kwh/m 2 per år R. Hanitsch (http://www.solar.coppe.ufrj.br/solar.html)

Årliga variationer på horisontell yta i W/m 2 dygnet runt R. Hanitsch (http://www.solar.coppe.ufrj.br/solar.html)

Instrålningen i Afrika på yta med optimal lutning

Instrålningen i Europa på yta med optimal lutning

Årliga variationer i (N) Europa kwh/m 2 per dag kwh/m 2 per år Stockholm 3.11 1133.33 Uppsala 3.13 1243.91 Berlin 3.16 1152.31 Stuttgart 3.31 1207.06 München 3.59 1309.26

Instrålningen i Stockholm mätvärden från Högdalen/Stockholm http://www.slb.mf.stockholm.se

Var tillverkas solceller? Svar: i Japan och Tyskland

Vem tillverkar solceller? Sharp står i spetsen med 22% (2004: 29%) av världsproduktionen tyska Q-Cells har inom några år blivit Europas ledande tillverkare och är nu på plats 2 i världen med 14% (2004: plats 4, 7%) www.iea-pvps.org

Vem tillverkar moduler? Sharp är världsledande i modultillverkning med en fjärdedel av all moduler fler och fler mindre företag fungerar som rena modultillverkare, ca 30000 nya arbetsplatser bara i Tyskland 2000-2005 www.iea-pvps.org

Var finns vilka system? nät-anslutna system finns främst i länder med reglerade inmatningspriser och utbyggd infrastruktur icke nätanslutna system finns där det saknas inmatningsregler icke nätanslutna system finns också där det saknas infrastruktur www.iea-pvps.org

Tillväxten 1GW www.iea-pvps.org

Tillväxt i siffror www.iea-pvps.org

Economy of scale www.iea-pvps.org

Hur fungerar en solcell infallande ljuskvant absorberas elektron-hål par skapas i halvledarmaterial (ett par per foton) laddningar separeras av ett internt elektrikst fält strömmen kan fås ur via elektroderna ledningsband foton DE=hn valensband

Material för solceller bara fotoner med energi större än bandgapet kan absorberas: högre bandgap färre fotoner i solljuset färre fotoner färre e-h par solcellens utspänning begränsas bl.a. av bandgapet: högre bandgap högre spänning optimalt bandgap: ca 1.4 ev (S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices) Ge 0.67 ev CuInSe 2 1.02 ev Si 1.12 ev GaAs 1.42 ev CuGaSe 2 1.68 ev InP 1.34 ev GaP 2.26 ev GaN 3.50 ev

solcell I I Last V

Vilka typer av solceller finns? 100 90 80 70 42.1 48.2 50.2 51.6 57.2 54.7 market share [%] 60 50 40 30 40.8 37.4 34.6 36.4 32.2 36.2 poly Si c-si a-si EFG Si CdTe CIS 20 10 0 12.3 9.6 8.9 6.4 4.5 4.4 4.1 4.3 5.6 4.6 4.4 3.3 1999 2000 2001 2002 2003 2004 över 90% av marknaden domineras av kristallint kisel

www.renewableenergyaccess.com Photon, 2005-01 Ostseezeitung, 2006-02-06

Från sand till kisel (Tokuyama http://www.tokuyama.co.jp)

Tunna filmer eller kristallint? 0.003mm 3cm 3 /m 2 0.3mm 300cm 3 /m 2 olika material används som tunnfilmsceller: amorft kisel, kadmiumtellurid, Cu(In,Ga)(S,Se) 2 kort CIGS

låg spänning per solcell (typ 0.6 V) seriekoppling av flera celler ger en högre spänning högre spänning ger lägre ström vid samma effekt P = V x I tunnare, billigare kablar inkapsling av modulen ger skydd åt cellerna standardiserade moduler second source enklare planering enklare installation

Modulspecifikationer (Siemens solcellsmodul SM110/SM100, 72 celler)

Modulspecifikationer på en modul ska det alltid finnas uppgifterna om dess prestanda oftast finns effekt P maxeffekt-punkt V mpp och I mpp maximalt tillåten systemspänning ibland finns även V oc I sc

Smarta tunnfilmsmoduler framkontakt bakkontakt seriekontaktering av cellerna

komplexa tunnfilmsmoduler

variabla tunnfilmsmoduler J.Johansson, 2007

variabla tunnfilmsmoduler 8.8 % 11.2 % 13.2 % 14.5 %

Världsrekord i verkningsgrad Teknologi Verkningsgrad Storlek Tillverkare % cm 2 GaInP/GaAs/Ge 32.0 ± 1.5 (40.7%) 4 Spectrolab, USA 2003 GaAs 25.1 ± 0.8 3.9 Kopin, USA 1990 enkristallint Si 24.7 ± 0.5 4 U NSW, AUS 1999 polykristallint Si 20.3 ± 0.5 1 Fraunhofer, D 2004 tunnfilm Cu(In,Ga)Se 2 CdTe amorft Si 18.4 ± 0.5 16.5 ± 0.5 9.5 ± 0.3 1 1 1 NREL, USA 2001 NREL, USA 2001 U Neuchatel, CH 2003 Moduler tunnfilm enkristallint Si polykristallint Si Cu(In,Ga)Se 2 CdTe amorft Si 22.7 ± 0.6 15.3 ± 0.4 13.4 ± 0.7 16.6 ± 0.4 10.7 ± 0.5 10.4 ± 0.5 778 1017 3459 16 4874 905 U NSW, AUS 1996 Sandia, USA 1994 ShowaShell, JP 2002 U Uppsala, SE 2000 BP Solarex, USA 2000 United Solar, USA 1998 (Prog. Photovolt: Res. Appl. 2006; 14:45 51)

Världsrekord i verkningsgrad 19.5% (8/2004) (Photon 11/2004 NREL)

Flera moduler seriekopplas... UZ, 2007

...och blir system UZ, 2007

Två stora grupper av system modulens likspänning typ 12-600V= laddningsregulator växelriktare last batteri icke nätansluten off-grid batteriens likspänning typ 12-48V= elmätare 240/400V nätansluten on-grid

Fördelningen mellan systemen www.iea-pvps.org

Mindre modul UZ, 2005

Exempel på off-grid UZ, 2004 UZ, 2005 UZ, 2005

Flera off-grid exempel UZ, 2007 UZ, 2007

Små system i Stockholm UZ, 2005 UZ, 2005

Grid-connected i Tyskland UZ, 2007

Grid-connected i Tyskland UZ, 2005

...på Hawaii UZ, 2006

Tunnfilmsföretag på starten Solibro Research AB, Uppsala Sulfurcell, Berlin liknande material, liknande mål: Würth Solar, Schwäbisch Hall CIGS moduler ca 120 cm x 60 cm ca 12% verkningsgrad omkring 30 MW/år (~2008)

Uniformitet av celler open circuit voltage V oc short circuit current J sc mv ma/cm 2 cell efficiency fill factor % %

CIGS celler innehåller kadmium CdS (~0.05 µm) standard buffer layer: cadmium sulfide ~0.2g Cd/m 2 but Cd is banned in electronic equipment RoHS (EU - 2006, <0.01 wt% Cd) similar incentives: California, China, Japan

Improved quantum efficiency CdS band gap absorption

Bra celler utan kadmium V oc = (685±3) mv FF = (76±0.5) % η > 18 %

Bra moduler utan kadmium sample 3100 3101 aprt. area cm 2 76.8 77.6 V oc V 11.0 10.9 I sc ma 147.2 146.2 FF % 70.3 68.3 efficiency % 14.8 14.0

Framtida möjligheter? källa: IEA-PVPS Report 2006

International Energy Agency http://www.iea-pvps.org/ European Photovoltaic Industry Association http://www.epia.org/ European Comission Joint Research Centre http://sunbird.jrc.it/ Renewable Energy Access newsletter http://www.renewableenergyaccess.com/ Elforsk byggnadsintegrerade solceller http://www.solcell.nu/ Photon International http://www.photon-magazine.com/

Ångström Solar Centre http://www.asc.angstrom.uu.se National Renewable Energy Laboratory http://www.nrel.org University of New South Wales, Australia http://www.pv.unsw.edu.au/ Centre for Solar Energy and Hydrogen Research http://www.zsw-bw.de/ Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems http://www.ise.fraunhofer.org/ Research Center for Photovoltaics, AIST, Japan http://unit.aist.go.jp/rcpv/index-e.htm