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 Ziel des Gesamtvorhabens ist die industrielle Erforschung und Entwicklung verbesserter Herstellungsmethoden von Photovoltaikmodulen, um diese in variablen Größen und Farberscheinungen gemäß den Kundenanforderungen anzupassen und auch bei kleinen Stückzahlen noch kostengünstig herzustellen. Die hierfür zu entwickelnde Technologie 'panel-on-demand' zielt auf die nachträgliche Bearbeitung halbfertiger Photovoltaikplatten, zum einen bezüglich der Farbgebung mit speziell angepassten Kontaktschichten, und zum anderen bezüglich der Laserbearbeitung zur monolithischen Modulverschaltung und Anpassung der Größe der Module. Aus der vom Konsortium angestrebten Technologieentwicklung, Prototypenherstellung und abschließenden Feldteststudien ergeben sich neue Produkte, die für eine Vielzahl von Nischenanwendungen für die Gebäudeintegrierte Photovoltaik (engl.: Building Integrated Photovoltaics, BIPV) Verwendung finden können. Um das Potential dieser Technologie ausgiebig zu untersuchen, werden vier verschiedene BIPV-Anwendungen entwickelt und getestet: Ein Fassadensystem, ein Dachsystem für Neubauobjekte, ein Dachsystem zur Renovierung von Bestandsobjekten, sowie PV in Doppel-Isolierglas.
Dünnschichtphotovoltaik gilt als vielversprechende Alternative zu konventioneller, auf Wafern basierender Photovoltaik (PV). Dünnschicht-Technologien ebnen den Weg für kostengünstige Produktionsverfahren und eröffnen neue Anwendungsgebiete der Photovoltaik. Im Hinblick auf die industrielle Verwertung gelten Dünnschichtsolarzellen auf Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Selen (CIGS) als ein vielversprechender Kandidat für zukünftige Photovoltaikanwendungen. Sie vereinen hohes Wirkungsgradpotenzial, gute Langzeitstabilität und können auf unterschiedlichen Substraten, wie Glas und Folien aufgebracht werden. Das österreichische Unternehmen Sunplugged entwickelt seit 2010 eine grundlegend neue, flexible CIGS-Dünnschichtsolarzelle. Diese Solarzellen können 'on-the-fly' so verschaltet werden, dass dadurch unterschiedliche Geometrien und Modulspannungen einfach realisiert werden können.
Folgende Erfolge konnte Sunplugged in den letzten Jahren erzielen:
- Die Entwicklung einer CIGS-Solarzelle mit Spitzenwirkungsgraden von 15,2% im Labor und über 10% in der Rolle-zu-Rolle-Herstellung (Stand Sommer 2017) auf dünnen Kunststofffolien.
- Aufbau von Rolle-zu-Rolle Pilotanlagen für die Herstellung der flexiblen Solarzellen.
- Entwicklung der mittels Inkjetverfahren druckbaren Modulverschaltung auf TRL5. Diese druckbare Verschaltung erlaubt es, ohne großen Rüstaufwand die Eigenschaften eines Photovoltaikmoduls (Größe, elektrische Spannung und Geometrie) zu bestimmen.
Schlüssel für den zukünftigen wirtschaftlichen Erfolg sind neben diesem weltweiten Alleinstellungsmerkmal, vor allem stabile und reproduzierbare Herstellprozesse, bei denen die Kostenvorteile von großflächig nutzbaren Dünnschichtdepositionen und endlosen Rolle-zu-Rolle Fertigungsverfahren voll ausgeschöpft werden können. Das Scale-up Projekt beantwortet Forschungsfragen, die für die industrielle Hochskalierung von flexiblen CIGS Dünnschicht-Solarzellen entscheidend sind.
Die Ziele des SCALE-Up Projekts sind:
- Entwicklung eines stabilen, rissfreien Verbunds aus Substrat und Rückkontakt,
der hochskalierte CIGS Solarzellen mit geringen Wirkungsgradverlusten zulässt
- Entwicklung eines Verfahrens, welches die kostengünstige Zugabe von Alkalimetallen ermöglicht
- Vergrößerung der Homogenität eines neuen Hybridprozesses zur Rolle-zu-Rolle Herstellung von CIGS Absorbern
- Konzeption und Entwicklung von Mess- und Prüfsystemen für anwendungsspezifisch herstellbare PV-Module (nach Zellprozess, nach Verschaltungsprozess)
- Konzeption von neuen, individualisierten Photovoltaikprodukten.
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.