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Matrix Schindeltechnologie für die Zukunft der Photovoltaik, Teilvorhaben: Entwicklung leitfähiger Klebstoffe für die Matrix-Schindeltechnologie

Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung elektrisch leitfähiger Klebstoffe, die speziell auf die Anforderungen einer industriellen Matrix-Schindelverschaltung von Silizium Solarzellen zugeschnitten sind. Ein besonderer Fokus liegt dabei neben der elektrischen / mechanischen Performance solcher Systeme auch auf einer Kostenoptimierung durch Auswahl geeigneter Füllstoffe, um Zugang zu dem preissensitiven PV-Markt zu bekommen.

Entwicklung von dreiphasigen Solarumrichtern

Zielsetzung: Fuer mittlere Leistungen von photovoltaischen Solaranlagen besteht ein Bedarf an Wechselrichtern, die sowohl zur Einspeisung in ein Drehstromnetz als auch fuer Inselbetrieb geeignet sind. Entwicklungsziele sind guter Systemwirkungsgrad und niedriger Preis - vergleichbar mit Antriebsumrichtern. Arbeitsprogramm: Entwicklung verschiedener Konzepte und Komponenten fuer Leistungsteil, Ansteuerung und Regelung der Wechselrichter. Erprobung der Umrichter an der vorhandenen Solaranlage.

Skalierung von Perowskit-Schichtabscheidung für langzeitstabile große Tandem-Solarzellen, Teilprojekt: Anlagentechnik Sprühbeschichtung und Walzlackierung

Im geplanten Vorhaben werden skalierbare Hybridverfahren zur Herstellung von Perowskitschichten als Topzelle in Silicium-Perowskit-Tandemsolarzellen entwickelt. Insbesondere werden verschiedene Verfahren zum nasschemischen Auftrag der organischen Komponente des Perowskiten evaluiert. Der Fokus liegt im Sinne der Skalierung auf großformatigen Solarzellen im Format 210 x 210 mm². Es werden Untersuchungen zur Modulverschaltung durchgeführt. Die Stabilität dieser Module wird in ersten Tests evaluiert. Im vorliegenden Teilprojekt werden erste Schritte im Bereich der Sprühbeschichtung hin zu einer Umsetzung in industriell relevanter Umgebung gegangen. Zudem werden explorative Arbeiten im Bereich der Walzlackierung zur Aufbringung des Nassfilms unternommen. Es werden abhängig von den Projektergebnissen Konzepte und Kostenrechnungen für industrielle Produktionsumgebungen erstellt bzw. unterstützt.

Untersuchung von Solarzellen mit geeigneter Anpasselektronik, Wechselrichter und rechnergestuetzter Messwerterfassung

1) Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde eine Anlage zur photovoltaischen Energiewandlung beschafft und auf dem Dach eines Laborgebaeudes der Fachhochschule Bochum installiert. Kenndaten und Leistungsmerkmale verschiedener Module werden untersucht, um Aussagen ueber Einsatzmoeglichkeiten am Standort Gelsenkirchen treffen zu koennen. Nachgeschaltete Anlagenkomponenten zur Speicherung und Wandlung der elektrischen Energie werden in bezug auf ihren Wirkungsgrad und auf Oberwellen oder weitere Stoersignale untersucht. Daneben dient die Anlage der Ausbildung von Studenten in diesem neuen Arbeitsgebiet der Energietechnik. Es ergeben sich Ausbildungs- und Entwicklungsmoeglichkeiten aus dem Bereich der Leistungselektronik und der Informationsverarbeitung.2) Die vorhandene Solaranlage besteht aus 16 Solarzellenmodulen mit je 50 Watt Peak-Leistung. Zur Zeit wird die maximale Leistung der Anlage auf 1600 Watt erweitert. Ueber einen angeschlossenen Rechner kann die Solaranlage wahlweise entweder im Inselbetrieb oder alternativ in Verbindung mit einem Wechselrichter im Netzparallelbetrieb arbeiten. Im Inselbetrieb sind die Module mit einem Laderegler verbunden, der sie je nach Ladezustand mit einem angeschlossenen Bleiakkumulator-Speicher oder einem Gleichstromverbraucher verbindet. Verbraucher koennen auch ueber einen Wechselrichter im Inselbetrieb mit der gespeicherten Energie des Akkus betrieben werden.

Entwicklung von Prozess und Fertigungstechniken von 'Tunnel Oxide under Contacts on n-Type Silicon Solar Cells' evolutionär, hin zur industriellen Fertigung, Teilvorhaben: Verringerung der winkelabhängigen Reflektion durch Subtextur von Siliciumwaferoberflächen

Das Ziel des Projekts ist es die TOPCon Technologie, wie sie von RENA, Centrotherm, ISC und Co. ('TOUCAN') angeboten wird so konkurrenzfähig zu machen, um Maschinen, Prozesse und Know-how für die Fertigung in Europa sicherzustellen. Ziel der Arbeiten an der TUBAF ist die Verbesserung der winkelabhängigen Reflektion der Solarzellen. Um diese zu reduzieren, wird ein neuer Prozess zur Erzeugung einer Substruktur der Pyramidenflanken über eine temporäre, selbstauflösende nanokristalline Maskierung an der TU Bergakademie getestet. Diese Maske wird auf bereits texturierten Wafern abgeschieden oder durch einen kurzen Ätzschritt generiert. In einem darauffolgenden Ätzschritt wird die freiliegende Siliciumoberfläche abgetragen, wodurch die gewünschte Subtextur auf den Pyramidenflanken generiert wird. Gleichzeitig wird die Maske in diesem Ätzschritt aufgelöst.

Umweltfreundliches Galvanisierungsverfahren zum Ersatz von Silber durch Kupfer für PV-Solarzellenkontakte

Zielsetzung: Die Solarenergie ist neben der Windenergie eine der Hauptsäulen der Energiewende. Damit die Klimaziele erreicht werden, ist es notwendig die Solarindustrie weltweit massiv zu skalieren. Pierre Verlinden, einer der weltweit führendsten Solarexperten, äußert sich dazu 2020 im Journal of Renewable and Sustainable Energie wie folgt: “The [PV] industry has demonstrated that it is capable to grow at a very high rate and to continuously reduce the cost of manufacturing. There are no challenges related to the technology, manufacturing cost, or sustainability, except for the consumption of silver, which needs to be reduced by at least a factor of 4 […].” Silber ist die einzige kritische Ressource in der Solarzellenproduktion. Derzeit werden bereits weltweit ca. 17 % des jährlich in Minen abgebauten Silbers für die Solarzellenfertigung beansprucht. Gleichzeitig wächst die Fertigungskapazität für Solarzellen exponentiell um 20 - 30 % pro Jahr. Ohne technologische Innovation würde die Solarindustrie bereits im Jahr 2030 das gesamte weltweit verfügbare Silber aus dem Bergbau nachfragen. Es versteht sich von selbst, dass dies kein tragfähiges Szenario ist, zumal auch andere Zukunftstechnologien, wie die Elektromobilität, einen zunehmend hohen Silberbedarf anmelden. Expert*innen sind sich einig, dass die Versorgung der Solarindustrie mit Silber für die elektrischen Kontakte der Solarzellen bereits in 2 - 4 Jahren das größte Problem für das nötige Wachstum der Solarindustrie sein wird und somit auch zum Flaschenhals für die gesamte Energiewende wird. Das Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, PV2+, hat eine patentierte Galvaniktechnologie entwickelt, die es Solarzellenherstellern erlaubt mithilfe eines speziell entwickelten Elektrolyten, in Solarzellenkontakten Silber durch Kupfer zu substituieren. Dies ermöglicht die Skalierung der Solarindustrie und löst somit eine der zentralen Nachhaltigkeitsherausforderungen unserer Zeit. Fazit: Das Förderprojekt PV2+ verfolgte das Ziel, Silber durch Kupfer in Solarzellenkontakten zu ersetzen, um Kosten zu senken, die Rohstoffabhängigkeit zu verringern und die ökologische Nachhaltigkeit der Photovoltaikbranche zu stärken. Die gewählte technische Vorgehensweise erwies sich als sehr erfolgreich: Prozesse wie Sputtern und Laserablation wurden optimiert und auf Industrieanlagen übertragen, eine neue Galvanikanlage ermöglichte die homogene Kupferabscheidung auf über 500 Zellen bei stabilisiertem Elektrolyt. Der Proof of Concept wurde durch bessere Zellleistungen auf Industriewafern und einem ROI < 1 Jahr erbracht. Auch erste Umsätze durch Kundenbemusterungen bestätigen den Marktbedarf. Strategisch war eine Kurskorrektur nötig: Aufgrund des Rückgangs der europäischen Solarindustrie wurde der Fokus erfolgreich auf Asien und die USA sowie auf eigene pilotähnliche Demoproduktion verlagert. Diese Neuausrichtung erwies sich als essenziell für Markteintritt und Skalierung. Alternative technische Ansätze wie Kupfer-Nanopartikel oder Polymermasken wurden geprüft, boten jedoch keine vergleichbare Leistung, Wirtschaftlichkeit oder Umweltbilanz wie das patentierte Galvanikverfahren von PV2+. Die zentrale alternative Idee war daher nicht technologischer, sondern strategischer Natur und sie trug maßgeblich zur Zielerreichung bei.

Individuelle Draht-Finger Verbindungen für langzeitstabile Hocheffizienzmodule, Teilvorhaben: Entwicklung von Lotpasten für zweistufige Lötprozesse, kurze Lötzeiten und sehr niedrige Löttemperaturen

Kostenreduktion und erhöhte Ressourceneffizienz durch neue Versorgungssysteme für Metall-Organische Ausgangsstoffe in der Epitaxie von III-V Hochleistungssolarzellen 2.0, Teilvorhaben: Industrielle Bewertung aus Anwendersicht

Solarzellen aus III-V Halbleitern erreichen heute weltweit die höchsten Umwandlungseffizienzen von bis zu 46% und finden industrielle Anwendung sowohl für Weltraumanwendungen, als auch für terrestrische PV Systeme (hier insbesondere CPV). Aktuell werden Solarzellen aus III -V Halbleitern auch für erste Anwendungen im Automotive -Bereich in Erwägung gezogen. Etwa die Hälfte der sehr hohen Epitaxiekosten für III-V Mehrfachsolarzellen entfällt dabei auf die metallorganischen Ausgangsstoffe, wie zum Beispiel Trimethylindium und Trimethylgallium (so genannte 'Metallorganika'). Im Gesamtprojekt KoReMO-2.0 soll nun im Verbund der Projektpartner nachgewiesen werden, dass diese Kosten durch die Nutzung einer neuartigen Indium -Quelle und einem neuen Zuführsystem, signifikant gesenkt werden können. Ferner sollen durch das neuartige Zuführsystem höhere Wachstumsraten erreicht werden. Diese technologischen Verbesserungen werden am Ende des Projektes anhand vollfunktionsfähiger GaInP/GaInAs/Ge Dreifachsolarzellen direkt nachgewiesen und im Anschluss nach industriellen Bewertungsmaßstäben evaluiert. Im Rahmen des Teilvorhabens von AZUR SPACE wird die etablierte Fertigungs - und Charakterisierungstechnologie für Ge-basierte III-V Mehrfachsolarzellen und das Know-how über industrielle Standardprozesse zur Herstellung der zugrundeliegenden Epitaxiestrukturen als Basis für die Bewertung der technologischen Verbesserungen dem Gesamtprojekt zur Verfügung gestellt. Konkrete Ziele im Teilvorhaben sind die Fertigung und Charakterisierung von Einzel - und Mehrfach- solarzellen aus den im Gesamtprojekt entstehenden Epitaxiestrukturen, die anschließende Bewertung und daraus resultierende Rückmeldungen und Unterstützung der Projektpartner, sowie die finale industrielle Evaluierung der im Gesamtprojekt erreichten Verbesserung durch die neuartigen Indium - Quellen und Zuführsystem Technologien.

Europaeischer Pool Informations- und Schulungsmaterialien Solartechnik (EUPOS)

Kostenreduktion von III-V Zellen und Modulen für Fahrzeuganwendungen

Das Ziel des Projektes Vorfahrt ist es, Technologien für am Markt konkurrenzfähige PV-Module auf der Basis von III-V Tandemsolarzellen für terrestrische Anwendungen zu entwickeln. Als signifikante Meilensteine der Zelltechnologie sind die Herstellung von III-V Mehrfachsolarzellen mit reduziertem Germaniumbedarf und sogar Solarzellen gänzlich ohne Germanium zu nennen. Zusätzlich sollen Technologien für eine automatisierbare Verschaltung und Einkapselung der III-V Solarzellen entwickelt werden. Um das Potential der Technologie zu zeigen, soll ein Weltrekord-Modul mit einer Effizienz = 33,3 % (AM1,5g) bei einer Fläche = 800 cm² hergestellt werden. Die entwickelten Technologien sollen in einem ersten Anwendungsfeld, der Luftfahrt, anhand eines Elektroflugzeuges evaluiert werden. Zusätzlich soll ein III-V PV Autodach als Demonstrator hergestellt werden und Konzepte zur weiteren Kostensenkung für den Fahrzeugmarkt identifiziert werden. Somit reicht das Projekt von der Forschung und Entwicklung neuer Solarzellen- und Modultechnologien bis hin zur Erprobung und Demonstration in naheliegenden Anwendungsfeldern.

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