Die Energieumwandlung aus photovoltaischen Zellen ist eine seit vielen Jahrzehnten bekannte und hoch entwickelte Technologie. Für eine nachhaltige Energiegewinnung ist es allerdings notwendig Solarzellen kostengünstiger zu produzieren um mit fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können. Die bei weitem am weitesten verbreitete und höchsten entwickelte Technologie basiert auf der Verwendung von Siliziumwafern. Diese Technologie ist aber aufgrund des hohen Preises von hochreinem Silizium sehr teuer. Anstatt der Verwendung relativ dicker Siliziumwafer können die Materialkosten mit Hilfe von Dünnschichttechnologien, oder Solarzellen der 'zweiten Generation' reduziert werden. Die Effizienz von Solarzellen kann durch Technologien der so genannten 'dritten Generation' signifikant verbessert werden. Sowohl für Solarzellen der zweiten bzw. der dritten Generation können höhere Absorption aus dem Sonnenlicht zu höheren Effizienzen führen. Plasmonische und photonische Effekte sind viel versprechende Methoden um höhere Effizienzen zu erzielen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es plasmonische Strukturen mittels des physikalisch-chemischen Prozesses 'Substrat Induzierte Koagulation' (engl. Substrate Induced Coagulation - SIC) herzustellen. Bis zum heutigen Tag behandelte kein Forschungsprojekt, diese physikalisch-chemische Methode. Substrat Induziere Koagulation hat ein herausragendes Potential Strukturen einerseits billiger und andererseits unter Wahrung der ursprünglichen Form, oder durch die Möglichkeit Partikel mit anderen, kleineren zu beschichten ('core-shell'-particles), eine Vielzahl an plasmonischen Strukturen herzustellen. Die geplante Grundlagenforschung über diesen Weg sollte es möglich machen, die Wechselwirkung zwischen Licht und plasmonischen Nanostrukturen besser zu verstehen und die Effizienz von Dünnschichtsolarzellen (a-Silizium) zu erhöhen.
Das Projekt SOLAMO hat zum Ziel, die beiden derzeit attraktivsten Dünnschichtsolarzellentypen basierend auf Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) und Perowskiten parallel zueinander weiterzuentwickeln, so dass sie eines Tages in einer Tandemstruktur zusammengeführt werden können. CIGS: Die bereits im letzten Berichtszeitraum bestellte CIGS-Vakuumanlage wurde ausgeliefert, aufgebaut und abgenommen. Alle geforderten Spezifikationen (z.B. Basisdruck) konnten eingehalten werden oder waren noch besser als gefordert. Nach der Inbetriebnahme konnten auf Anhieb bereits relativ gute Absorber abgeschieden werden. Bei einer CIGS- Niedertemperaturabscheidung mit einer nominellen Substrattemperatur von 380 Grad Celsius wurden auf Polymerfolie (Polyimid) CIGS-Schichten in einem 3-Stufenprozess abgeschieden, die nach Aufbringen aller anderen Schichten zu Zellwirkungsgraden von bis zu 14,5 % führten. Auf Glassubstrat konnte im Niedertemperatur-CIGS-Prozess (420 Grad Celsius) sogar ein Wirkungsgrad von 17,2 % erreicht werden. Bei höheren Substrattemperaturen (500 Grad Celsius) lag der maximale Wirkungsgrad auf Glas bei 17,7 %. Der Wirkungsgrad ist dabei nicht direkt mit der Substrattemperatur korreliert, sondern entsteht durch eine komplexe Zusammenwirkung von Natrium- bzw. Kaliumdotierung, Interdiffusion der einzelnen Elemente (Cu, In, Ga, Se) und dem über der Schichtdicke eingebauten Gallium-Zusammensetzungsgradienten. In ersten Niedertemperatur-Versuchen bei 400 Grad Celsius auf Polymerfolie wurde zur Erhöhung der Abscheidegeschwindigkeit die Kupfer-Aufdampfrate in der zweiten Beschichtungsstufe erfolgreich verdoppelt, ohne Einbußen beim Zellwirkungsgrad zu erleiden. Perowskite: Perowskitsolarzellen wurden weiterhin im Standard- und invertierten Aufbau in opaker und semitransparenter Konfiguration untersucht. Im Standard-Aufbau konnte durch die Verwendung von PCBM und Al2O3 Nanopartikeln die Beschichtung verbessert und die unerwünschte Hysterese reduziert werden. Im invertierten Aufbau wurden fast hysteresefreie gut reproduzierbare Effizienzen von ca. 15 % erzielt. Um Kosten zu sparen, wurde versucht, den bisher thermisch verdampften Silber- Rückkontakt durch gesputtertes Aluminium zu ersetzen. Unter Verwendung eines Temperschrittes konnten Wirkungsgrade größer 10 % erreicht werden. Für semitransparente Perowskitzellen wurde als semitransparenter Frontkontakt Indium- Zink-Oxid (IZO) sowohl im Standard als auch im invertierten Aufbau getestet. In beiden Architekturen wurden Wirkungsgrade größer 13 % erzielt. Gleichzeitig blieben 70 % Transmission im Wellenlängenbereich größer als 775 nm für die Nutzung im Tandemverbund mit einer möglichen Subzelle aus CIGS oder Silizium erhalten. Erste Glas-zu-Glas Verkapselungstests zeigten, dass auch nach 9 Monaten Lagerung im Dunkeln noch größer als 12 % Wirkungsgrad (frische Probe 14,9 %) erreicht werden können (entspricht einer relativen Degradation von 18 %). (Text gekürzt)
Der vorliegende Antrag der MLU ist Teil des Verbundprojektes STRUKTURSOLAR II. Die Anwendung innovativer Strukturierungskonzepte in Solarzellen der nächsten Generation für verbesserte Wirkungsgrade bei reduziertem technologischen Herstellungsaufwand soll erforscht werden. Dabei sollen die vorhandenen Kompetenzen in der Grundlagenforschung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und anwendungsorientiertes Know-how der Hochschule Anhalt (HSA) in einem kooperativen Forschungskolleg zusammengeführt werden. Mehrere Promotionsthemen sollen jeweils in Teilen an beiden Hochschulen bearbeitet werden. Das Projekt adressiert Themen der Strukturierung sowohl von Dünnschichtmodulen (Mikrostrukturierte CIGSe Kontakte, Thermische Laser Strukturierung, Perowskitsolarzellen auf Silicium, Strukturierte Substrate) als auch von Siliciumwafer-basierten Solarzellen (Plasmastrukturiertes schwarzes Silicium, Makroporöses Silicium, Defektlokalisierung von PERC-Kontakten). Die Plasmatexturierung zur Präparation von hochabsorbierenden Silicium Oberflächen (schwarzes Silicium) und anschließende Passivierung sollen bis hin zu kompletten Solarzellen weiter optimiert werden. Alternativ soll makroporöses Silicium mittels metall-unterstützter chemischer Ätzung die Absorption erhöhen. Strukturierte Rückkontakte von PERC Zellen sollen mittels abbildender Methoden im Hinblick auf Defekte untersucht werden. Die Zusammenführung der neuartigen Perowskitsolarzellen und Wafer Silicium soll mittels nasschemischer und physikalischer Verfahren erforscht werden. Auch für Dünnschichtsolarzellen ist das Photonenmanagement durch Strukturierung ein vielversprechendes Thema. Hierbei geht es sowohl um die Optimierung eines strukturierten Rückkontaktes z.B. von CIGSe Solarzellen als auch um die Lichteinkopplung durch plasmastrukturierte Substrate. Das Modulthema der integrierten Serienverschaltung soll mit dem neuen Thema der thermischen Laserstrukturierung vorangetrieben werden.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von kostengünstigen industrietauglichen Fertigungsprozessen für hocheffiziente waferbasierte Solarzellen. Der Wirkungsgrad soll durch den Einsatz von passivierten ladungsträgerselektiven Kontakten erhöht werden. Für die Herstellung dieser sogenannten Tunnelkontakte sollen kostengünstige und effiziente Dünnschichttechnologien zum Einsatz kommen. Es sollen verschiedene Methoden, insbesondere die katalytische (Cat-) und plasmaunterstützte (PE-) chemische Gasphasenabscheidung (CVD) untersucht werden. Es werden temperaturstabile Kontakte angestrebt, die für das eingesetzte Metallisierungsverfahren bei der Herstellung der zu untersuchenden Solarzellen geeignet sind. Der verfolgte Ansatz ermöglicht ein effizienteres Produktionsverfahren, da die Herstellung von den passivierten Schichten und das Metallisierungsverfahren kombiniert werden können. Die erfolgreiche Umsetzung des angestrebten Ansatzes verspricht die Lücke zwischen den im Labor und in der Produktion erzielten Wirkungsgraden zu schließen. Folglich können die optimierten Prozesse und Anlagentechnik die Produktportfolios der Verbundpartner erweitern und ihre Wettbewerbsfähigkeit steigern. Ziel des Teilvorhabens ist die Entwickelung und Optimierung der mittels Cat- und PE-CVD abgeschiedenen funktionalen Schichtstapel für den Einsatz in n-type passivated emitter rear totally diffused (nPERT) und interdigitated back contact (IBC) Solarzellen. Der Abscheidungsprozess soll auf der neu anzuschaffenden industrienahen Demonstrationsanlage hinsichtlich der Homogenität, der Dotierung und des Durchsatzes optimiert werden. Zudem soll ein bereits vorhandener Laserstrukturierungsprozess für die Bearbeitung der zu entwickelnden positiv (p+) und negativ (n-) dotierten polykristallinen Siliziumschichten angepasst werden. Für die Umsetzung der angestrebten hocheffizienten Solarzellen sollen die elektrischen Verluste identifiziert und minimiert werden.
Spezifisch für die CIGS-Technologie soll im Verbundvorhaben eine gezielte Verbesserung der CIGS Absorberbildung mittels industrierelevanter Prozesse, sowie der Wechselwirkungen des Absorbers mit den weiteren Schichten für verbesserte Ertragsparameter im Vordergrund stehen. Weiterhin soll gezielt für CIGS Module eine verbesserte Abbildung des Ertrags in Prognose und Messung erreicht werden. Insbesondere die unmittelbare Verknüpfung der Ertragsparameter mit spezifischen Bauteileigenschaften wie z.B. Bandlückengradient, Rauheit oder Defektdichte im Bauteil wird erstmals untersucht. Der Einfluss dieser Faktoren auf den Temperaturkoeffizienten, auf das Schwachlichtverhalten, auf die Winkelabhängigkeit der Einstrahlung und auf die spektrale Empfindlichkeit wird quantifiziert. Identifizierte Absorber werden zu geeigneten Testmodulen fertiggestellt, die dann in Freifeldanlagen installiert und getestet werden, auch zur Nachstellung gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV). Als Ergebnis soll eine deutliche Verbesserung der Ertragsparameter der Solarmodule mit industriell umsetzbaren Prozessen gezeigt werden.
Im Gesamtvorhaben sollen in der gesamten Wertschöpfungskette der Zell- & Modulherstellung Lösungsansätze anwendungsnah erforscht werden. Dabei spielt die effiziente Verknüpfung von Herstellungsprozess & Versorgungstechnik eine wesentliche Rolle, um die Kostenziele zu erreichen. Dafür ist es notwendig, den Einfluss der Umwelt auf das Endprodukt zu erfassen & zu quantifizieren (Defektengineering). Weiterhin müssen alle Stoffströme betrachtet & auf Umweltverträglichkeit/ Recyclingfähigkeit geprüft werden. Die Erkenntnisse müssen dann auf gezielte Bereiche der Produktion angewandt & in innovative Konzepte überführt werden. Diese Konzepte werden helfen, den Primärenergieeinsatz zu senken, indem man den Herstellungsprozess nur dort durch die Versorgungstechnik beeinflusst wo es nötig ist. All diese Einflüsse & Erkenntnisse werden in einer vollumfänglichen Kostenberechnung (TCO) erfasst. Diese soll im Projektverlauf dazu dienen, verschiedene Produktionsszenarien zu simulieren um somit ein Planungsinstrument für die Produktionssteuerung (Auslastung & Kosten) zu schaffen. Arbeitspakete (AP) & Meilensteine (M) AP6.1: Defektengineering, Analyse (28 Monate) M6.1 (Definition aller Messgrößen & Messpunkte in Abstimmung mit den Projektpartnern) M6.2 (Messungen durchgeführt, Einfluss der Defektgrößen auf Gesamtprozess theoretisch ermittelt) M6.3 (Korrelation bestätigt; Konzept für Versorgungseinheiten erarbeitet) AP6.2: Umweltverträglichkeit & Recycling (36 Monate) M6.4 (Ermittlung aller Ausgangs- & Endprodukte der Produktion) M6.5 (Konzept zur Rückgewinnung von Abprodukten) M6.6 (technische & wirtschaftliche Prüfung des Konzeptes abgeschlossen) AP6.3: Intelligente Versorgungslösungen (29 Monate) M6.7 (Auswertung der Ergebnisse & Anforderungen aus AP6.1) M6.8 (Konzept zur Machbarkeit der Defektgrößenminimierung durch intelligente Versorgungslösungen) M6.9 (gezielte Lösungen für spezielle Anforderungsbereiche in der Herstellungslinie) AP6.4: Total Cost of Ownership (33 Monate).
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 433 |
| Land | 1 |
| Wirtschaft | 1 |
| Wissenschaft | 186 |
| Zivilgesellschaft | 5 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 433 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 433 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 422 |
| Englisch | 20 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Dokument | 3 |
| Keine | 72 |
| Webseite | 358 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 168 |
| Lebewesen und Lebensräume | 150 |
| Luft | 173 |
| Mensch und Umwelt | 433 |
| Wasser | 94 |
| Weitere | 433 |