Im Teilprojekt des ZSW soll durch experimentelle Realisierung von schnellen CIGS Beschichtungsprozessen im Koverdampfungsverfahren mittels einer Inline-Anlage Erkenntnisse über die Prozessführung gewonnen werden, die den Übertrag in die Produktion vorbereiten sollen. Die Erkenntnisse kommen dabei aus zwei großen Arbeitsbereichen, den Untersuchungen zum Einfluss von Alkalimetallen und zum Wachstumsverlauf schneller CIGS Prozesse.
Ziel des geplanten Verbundprojekts ist es, die Wissensbasis für die halbleitenden Funktionsschichten einer Cu(In,Ga)Se2 bzw. Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS)-Solarzelle zu erhöhen und dieses Wissen für die weitere Steigerung des Wirkungsgrads von Zellen und Modulen zu nutzen. Wirkungsgrad und Stabilität/Metastabilität werden durch die physikalischen Eigenschaften der Funktionsschichten und Grenzflächen bestimmt. Hier ist insbesondere der oberflächennahe Bereich des CIGS-Absorbers von Bedeutung. Auf diesen Bereich fokussiert das Projekt der deutschen Spitzenforschung mit der Verzahnung von Analyse, Modellierung und Optimierung. Dieses Zusammenspiel schafft die Voraussetzung für noch höhere Wirkungsgrade (geringere Kosten) und bessere Stabilität der CIGS-Technologie in Laborsolarzellen bzw. -modulen und somit auch im industriell hergestellten Modul.
Ziel des Vorhabens ist es, eine deutliche Effizienzsteigerung von CIGS-basierten Dünnschicht-Solarmodulen zu erreichen. Diese Steigerung soll durch Verbesserung der Absorberschicht, der Pufferschicht sowie der Grenzschicht zwischen diesen beiden Schichten erreicht werden. Durch den Verbund der Projektpartner stehen in optimalster Weise Kapazitäten für Analytik, Prozessierung und Simulation zur Verfügung. Im Zusammenspiel von Analytik an Einzelschichten und ihren Grenzschichten einerseits und elektro-optischer Simulation andererseits wird ein Modell erarbeitet, mit dessen Hilfe weitere Effizienzsteigerungspotentiale dargelegt werden sollen. Die so gefundenen Steigerungspotentiale werden dann in der Prozessierung umgesetzt und sollen zu einem Solarmodul mit einer Effizienz von größer 20 % (Aperturwirkungsgrad) führen. Dieser Wert liegt mehr als 2 % über dem aktuellen Weltbestwert für CIGS-basierte Dünnschicht Solarmodule.
Ziel des geplanten Verbundprojekts ist es, die Wissensbasis für die halbleitenden Funktionsschichten einer Cu(In,Ga)Se2 bzw. Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS)-Solarzelle zu erhöhen und dieses Wissen für die weitere Steigerung des Wirkungsgrads von Zellen und Modulen zu nutzen. Mit Hilfe von neuester in situ Diagnostik, modernsten, hoch orts- und zeitaufgelösten Charakterisierungsmethoden sowie mittels Simulationen und ab initio Modellierung sollen die Funktionsschichten und Solarzellen analysiert werden, um diese Erkenntnisse in die Verbesserung der Funktionsschichten und Grenzflächen einfließen zu lassen. Instrumente der Wirkungsgraderhöhung sind: Erhöhung der Bandlücken und Optimierung des Bandlückenverlaufs, Optimierung des Bereichs am pn-Übergang und Grenzflächenanpassung. Dabei soll die Bandlückenenergie der CIGS-Funktionsschicht (Absorber) graduell erhöht werden, um die Leerlaufspannung zu steigern, die Bandlücke der Pufferschicht erhöht werden, um die Stromausbeute zu erhöhen und die Leitungsbandkante der Fensterschichten modifiziert werden, um die Bandanpassung zu verbessern.
Eine Schlüsselrolle bei der Steigerung des Wirkungsgrades von CIGS-Zellen spielt der pn-Übergang zwischen CIGS und Puffermaterial. Durch quantenmechanische Rechnungen auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie soll dazu beigetragen werden, dass der Einfluss der Absorber-Puffer-Grenzfläche auf den solaren Wirkungsgrad aufgeklärt und Maßnahmen zur Erhöhung des Wirkungsgrades erarbeitet werden. Durch die theoretischen Untersuchungen der Grenzfläche zwischen Absorber und Puffermaterial sollen Grenzflächenstruktur, Defekteigenschaften und elektronische Eigenschaften und Interdiffusionsmechanismen aufgeklärt werden. Hierzu wird die Beschaffenheit verschiedener Absorber/Puffer (In2S3 und Zn(O,S)) Grenzflächen untersucht. Die Rechnungen liefern gleichzeitig Information über die elektronische Struktur der Grenzfläche, d. h. Bandanpassung und Lage des Ferminiveaus, über den Einfluss von Diffusionsvorgängen und grenzflächeninduzierten Dehnungen.
Übergreifendes Ziel des Verbundprojekts ist es ein vertieftes Verständnis der Halbleitereigenschaften von chalkopyritbasierten Dünnschichtsolarzellen zu generieren, die mittels industriell relevanter Ko-Verdampfungs- und sequentieller Prozesse hergestellt werden. Die Zusammenführung von Themen zu Absorber und pn-Übergang gewährleistet die Verbesserung von Material- und Grenzflächeneigenschaften der Funktionsschichten und trägt somit zur Erhöhung von Effizienz und Langzeitstabilität der Solarzelle bei. Die Rolle des ZSW im Verbund beinhaltet neben der Koordination des Gesamtprojekts auch die Entwicklung und Charakterisierung eines neuen Indium-dominierten Grenzflächendesigns. Das Projekt soll dazu beitragen, die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen CIGS-Industrie (Modulhersteller und dazugehörige Maschinenbauer) zu internationalen Konkurrenten und zur dominierenden Si-Technologie zu stärken.
Das Ziel des Vorhabens ist die Optimierung und Weiterentwicklung von industrierelevanten in-line Selenisierungs- und Sulfurisierungprozessen und Anlagen für die schnelle (atmosphärische) Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe)* Deposition für hocheffiziente Solarzellen. Der Fokus liegt dabei auf der Kostenreduktion durch die Verwendung kostengünstiger, bei atmosphärischem Druck betriebenen, Anlagen, als auch der Verwendung von nicht-toxischen Materialien und einer Steigerung der Materialausbeute (reduziertem CAPEX und OPEX). Gleichzeitig wird eine Verbesserung der Wirkungsgrade der entsprechenden Solarzellen angestrebt. MBE-Komponenten entwickelt in diesem Rahmen eine Se-Quelle mit Plasma Cracker Einheit, die neuartige, effizientere Prozessführungen ermöglichen soll. *Cu: Kupfer; In: Indium; Ga: Gallium; S: Schwefel; Se: Selen Im Projekt wird eine Se-Quelle mit Plasma Cracker Einheit konzeptioniert, aufgebaut und getestet. Dazu werden verschiedene Quellenkomponenten neu entwickelt und bestehende Baugruppen weiter optimiert. Zur Untersuchung von Selenisierungsprozessen mit plasmaaktivierten Selen wird vom HZB/PVComB eine Testanlage aufgebaut. MBE-Komponenten wird das Helmholtz-Zentrum Berlin maßgeblich bei der Konzeption und Spezifikation der Anlage unterstützen insbesondere um eine Kompatibilität zur Se-Quelle zu gewährleisten.
In diesem Teilvorhaben wird angestrebt, die Herstellungskosten von Cu(In,Ga)(Se,S)2 basierten Solarzellen bei gleichzeitiger Verbesserung der Wirkungsgrade zu reduzieren. Ausgangspunkt ist ein industrierelevanter atmosphärischer Selenisierungs- und Sulphurisierungsprozess zur schnellen Deposition von Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe)* Schichten aus metallischen Vorläuferschichten. Die beiden Hauptziele sind: 1.) Entwicklung einer geeigneten thermischen bzw. plasmaunterstützten Aktivierung des während der thermischen Prozessierung von Cu-In-Ga Vorläuferschichten angebotenen Selens, sowie die Erforschung der Auswirkungen auf den Prozess. 2.) Test und Evaluation einer Anlage zur Rückführung von während der thermischen Prozessierung überschüssig angebotenem Selen. *Cu: Kupfer; In: Indium; Ga: Gallium; S: Schwefel; Se: Selen. Das Vorhaben ist in 5 Arbeitspakete (AP) gegliedert. AP1 beinhaltet die Herstellung geeigneter Glas/Mo/Cu-In-Ga Vorläuferschichtstapel mit Elektrodeposition und Magnetron-Sputtern für die sequentielle Prozessierung zu Cu(In,Ga)Se2 Absorberschichten. In AP2 wird eine Anlage für die thermische Aktivierung von Se in eine in-line Anlage des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) eingebaut, getestet und erforscht. Eine weitere separate Anlage für die thermische Prozessierung mittels plasmaunterstützt aktivierten Selens, inkl. integrierter optischer Kontrolle der Aktivierung wird entwickelt, aufgebaut und studiert. AP3 beinhaltet die Erforschung einer gezielten Einbringung von Schwefel in die Cu(In,Ga)Se2 Oberfläche zur Wirkungsgradsteigerung. In AP4 wird eine bereits entwickelte Selenrückführungsanlage in die bestehende in-line Anlage am HZB eingebaut und evaluiert. AP5 hat zum Ziel geeignete CdS und Zn(O,S) Puffer- und ZnO Fensterschichten für die Fertigstellung von Solarzellen und Solarmodulen abzuscheiden. Zentraler Punkt ist die Untersuchung der optoelektronischen Eigenschaften der Bauteile, diese zu evaluieren und mit Prozessierungsparametern zu verknüpfen.
Ziel ist die Absicherung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit der CIGS-Technologie auf Basis der Prozess- und Anlagentechnik der Manz CIGS Technology GmbH und der Anlagentechnik der Manz AG für schlüsselfertige Produktionsanlagen. Es werden die Konzepte für Anlagentechnik der nächsten Generation mit vergrößerter Substratfläche erforscht und entwickelt. Alle für die LCoE relevanten Roadmaps (Wirkungsgrad, capex, Material, Betrieb, opex) werden erforscht und mit den internationalen Roadmaps der LCoE anderer PV-Materialien verglichen. Zur Absicherung und Risikominimierung werden einzelne Testanlagen (CIGS und Strukturierung) durch die Manz AG konzipiert und gebaut und in der Innnoline der MCT qualifiziert. Parallel wird die MCT die Prozesstechnik für CIGS-Module mit den Schwerpunkten CIGS und Strukturierung intensiv weiterentwickeln. Übergeordnetes Ziel des Vorhabens sind wettbewerbsfähige, mittel- bis langfristige Stromgestehungskosten mit CIGS-Modulen aus Fabriken von der Manz AG. In diesem Vorhaben soll nachgewiesen werden, dass die Herstellkosten für CIGS-Module mit der Manz-Technik von heute ca. 40 unter 30 $Cent je W weiter reduziert werden können.
Ziel ist die Absicherung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit der CIGS-Technologie auf Basis der Prozess- und Anlagentechnik der Manz CIGS Technology GmbH und der Anlagentechnik der Manz AG für schlüsselfertige Produktionsanlagen. Es werden die Konzepte für Anlagentechnik der nächsten Generation mit vergrößerter Substratfläche erforscht und entwickelt. Alle für die LCoE relevanten Roadmaps (Wirkungsgrad, capex, Material, Betrieb, opex) werden erforscht und mit den internationalen Roadmaps der LCoE anderer PV-Materialien verglichen. Zur Absicherung und Risikominimierung werden einzelne Testanlagen (CIGS und Strukturierung) durch die Manz AG konzipiert und gebaut und in der Innnoline der MCT qualifiziert. Parallel wird die MCT die Prozesstechnik für CIGS-Module mit den Schwerpunkten CIGS und Strukturierung intensiv weiterentwickeln. Übergeordnetes Ziel des Vorhabens sind wettbewerbsfähige, mittel- bis langfristige Stromgestehungskosten mit CIGS-Modulen aus Fabriken von der Manz AG. In diesem Vorhaben soll nachgewiesen werden, dass die Herstellkosten für CIGS-Module mit der Manz-Technik von heute ca. 40 unter 30 $Cent je W weiter reduziert werden können.
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