Das Teilprojekt 'Entwicklung Stringer Technologie für das Leitfähige Kleben' der teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH befasst sich mit der Entwicklung einer neuen Generation von kostengünstigen (Kostenersparnis größer als 25 % des €/Wp-Wertes) Solarzellenverschaltungsanlagen für die Klebe-Drahtverschaltung von Hocheffizienz- HJT- und Tandem-Solarzellen mit hohem Durchsatz ( größer als 3600 Zellen pro Stunde). Die neuartigen Maschinen werden durch eine Einheit für das Light Soaking der Zellen (Erhöhung des Zellwirkungsgrades um größer als 0,3 %) ergänzt und ermöglichen die Zellverschaltung mit Überlapp (Paving, Zero-Gap) und die Aushärtung von leitfähigem Klebstoff unter Druck. Darüber hinaus steht die Optimierung des Niederhalter- und Verbindergreifersystems für die Verarbeitung von Runddrähten für Solarzellen im M12 Format im Vordergrund.
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.
Für den Trend, gedruckte Strukturbreiten immer weiter zu reduzieren und gleichzeitig den Produktionsdurchsatz für die Metallisierung von Si Solarzellen zu maximieren, ist die Digitalisierung des Siebdruck-Verfahren ein elementarer Schritt. Die Optimierung der Sieb-Pasten-Wechselwirkung ist heutzutage manuell nur unter enormen Ressourceneinsatz zu bewerkstelligen und kann anschließend nicht einfach auf Zelltechnologien der nächsten Generationen übertragen werden. Um zu vermeiden, dass die F&E Arbeiten für jede Anforderung nahezu von vorne beginnen müssen, sollte dieser Prozess durch eine K.I. unterstützt werden. Die OSIF GmbH hat eine Siebinspektionsanlage entwickelt, die als Bindeglied zwischen der realen Welt und dem digitalen Zwilling dienen kann. Im Rahmen des Projekts werden Schnittstellen entwickelt, die die Kommunikation und Steuerung der Anlagen vom digitalen Zwilling ermöglichen sollen.
Ziel des Vorhaben ist die Entwicklung von Messmethoden auf Basis von Messdaten die in Industrie-IV-Testern gewonnen werden. Ziel ist es charakteristische Kenngrößen von Solarzellen zu bestimmen, welche bislang nicht oder offline bestimmt werden. Die Methoden werden jeweils unter Laborbedingungen getestet und dann für Messungen in der industriellen Massenproduktion von Siliziumsolarzellen optimiert.
Zielsetzung: Eine hohe Effizienz von Photovoltaikanlagen ist essentiell für die Maximierung der Nutzung von Solarenergie. Jedoch beeinträchtigen hohe Betriebstemperaturen die Leistung und Lebensdauer von Solarzellen erheblich. Um diesem Problem entgegenzuwirken, entwickeln die beiden Projektpartner SUNSET Energietechnik GmbH und das Center for Applied Energy Research e.V. im Forschungsprojekt PVaporate eine innovative Materialmatrix, welche an der Rückseite eines PV Moduls angebracht wird. Die Matrix enthält ein hygroskopisches Material, das nachts Wasser aus der Luft aufnimmt und speichert. Tagsüber, bei erhöhter Temperatur, gibt das Material das gespeicherte Wasser wieder ab, wodurch durch Verdunstungswärme ein Kühlungseffekt entsteht. Somit kann die Betriebstemperatur der Solarzellen deutlich reduziert und deren Effizienz entsprechend gesteigert werden. Zudem leisten die verringerten Spitzentemperaturen einen bedeutenden Beitrag zur Langlebigkeit der PV-Anlagen und damit zur nachhaltigeren und ressourcenschonenderen Nutzung von Solarenergie.
Im Teilprojekt des Fraunhofer ISE im Verbundprojektvorhaben 'AVATAR' soll ein voll funktionsfähiger digitaler Zwilling für Siebtechnologie konzeptioniert, entwickelt und erprobt werden. Mit diesem digitalen Zwilling kann eine grundlegende Optimierung der Siebarchitektur durchgeführt werden. Das Ziel der Optimierung ist das Balancieren des Spagats konträrer Anforderungen an moderne Feinlinien-Siebe. Je nach Fließverhalten der Druckpaste muss die Druckform spezifisch für die gewünschte Anwendung hinsichtlich gewünschter Optimierungsvorgaben, wie z.B. ein optimales Druckbild, maximale Sieb- / Gewebelebensdauer und dessen kosteneffiziente Herstellung, angepasst werden. Die Lösung dieses komplexen Optimierungsproblems ist heutzutage manuell nur unter enormen Ressourceneinsatz zu bewerkstelligen und kann anschließend nicht einfach auf die nächste technologische Herausforderung übertragen werden. Um zu vermeiden, dass die F&E Arbeiten für jede Anforderung nahezu von vorne beginnen müssen, soll der digitale Zwilling alle Facetten modernster Siebtechnologie abbilden und alle Teilnehmer der Herstellungskette, sowie den Endanwender unterstützen. Der digitale Zwilling soll im Rahmen des Projektes von allen Projektpartner eingesetzt, evaluiert und durch Feedback im Rahmen einer geschlossenen Beta-Phase verbessert werden. Die Verifikation der Vorhersagekraft des digitalen Zwillings wird im Rahmen von umfassenden Druckexperimenten evaluiert und bestätigt.
Der wachsende Markt für geplatete Solarzellen benötigt innovative Technologie im Bereich der Laserstrukturierung - höhere Auflösung für kleinere Leiterbahnen, großes Bearbeitungsfeld für wachsende Waferformate und schnellere Strahlablenkung für kürzere Prozesszeiten. Im Vorhaben MIRACLE werden Laseranlagenkonzepte entwickelt, die die oben genannten Herausforderungen erfüllen. Im Teilvorhaben 'Schnelle und präzise Durchlauflaserstrukturierung von Siliziumwafern' sollen dazu verschiedene Konzepte geprüft und ausgewertet werden. Ziel ist eine homogene Laseröffnung mit einer Breite bis 10 µm auf Wafer des Formats bis M12 und mit einem Durchsatz von 8000 Wafer pro Stunde. Die Umsetzung soll aus einer Kombination verschiedener Lösungsansätze erfolgen. Dazu zählen ultraschnelle Scanner, neue Optikdesigns, aktive Fokuskorrektur und eine schnelle Regelung. Zum Abschluss sollen die Ansätze in einer Protoypenanlage zusammenfließen, an der die definierten Anforderungen erprobt und demonstriert werden können.
Das Teilprojekt 'Entwicklung Stringer Technologie für das Leitfähige Kleben' der teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH befasst sich mit der Entwicklung einer neuen Generation von kostengünstigen (Kostenersparnis größer als 25 % des €/Wp-Wertes) Solarzellenverschaltungsanlagen für die Klebe-Drahtverschaltung von Hocheffizienz- HJT- und Tandem-Solarzellen mit hohem Durchsatz ( größer als 3600 Zellen pro Stunde). Die neuartigen Maschinen werden durch eine Einheit für das Light Soaking der Zellen (Erhöhung des Zellwirkungsgrades um größer als 0,3 %) ergänzt und ermöglichen die Zellverschaltung mit Überlapp (Paving, Zero-Gap) und die Aushärtung von leitfähigem Klebstoff unter Druck. Darüber hinaus steht die Optimierung des Niederhalter- und Verbindergreifersystems für die Verarbeitung von Runddrähten für Solarzellen im M12 Format im Vordergrund.
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen Ansatzes zur Erzeugung eines Linienfokus in Kombination mit einem Laserscanner. Die klassischerweise eingesetzte F-Theta Optik wird durch eine zylinderartige Freiformoptik ersetzt, um mit einer kurzen Brennweite einen schmalen Fokus zu erzeugen, gleichzeitig aber auch ein großes Scanfeld abdecken zu können. Es werden Optikdesignansätze untersucht, in denen Bildfeldwölbung und Aberrationen durch Oberflächenterme höherer Ordnung kompensiert werden. Die gefundenen Lösungen werden bezüglich Fertigbarkeit und Vermessbarkeit optimiert, wozu parallel fertigungsseitige Vorversuche und messtechnische Analysen durchgeführt werden. Die Vorversuchsteile werden in Hinblick auf Fokusgröße und auf die bei der Laserablation erreichten Strukturbreiten charakterisiert.
Im Teilvorhaben steuert das Fraunhofer ISE Arbeiten zum Gesamtvorhaben bei, in welchem eine neuartige Randverschaltung von Teilsolarzellen mittels lasergefügter Aluminiumfolie zur Industriereife entwickelt werden soll. Das Fraunhofer ISE wird in seinen Laboren Laser-Materialbearbeitungsprozesse zum Verbinden von Aluminiumfolie mit Solarzellen und den darauf befindlichen Leiterbahnen aus Silber und Aluminium weiterentwickeln. Weiterhin werden Aufbauten zum Haltern und Anlegen der Aluminiumfolie auf den Solarzellen weiterentwickelt und neu konstruiert sowie Prozesse zum Trennen der Folie evaluiert. Alle diese Prozesse werden für die im Projekt angestrebte Randverschaltung von Kleinstsolarzellen benötigt. Die weitere Prozessoptimierung hat zum Ziel, möglichst große Prozessfenster zu definieren, die Prozessgüte zu steigern sowie die Prozesszeiten zu reduzieren.
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