Mehr Strom aus Dünnschicht-Solarmodulen

Die Hochvakuumbeschichtungsanlage am Fraunhofer CSP wird im Rahmen des Projekts für einen wichtigen Teil der Beschichtungsexperimente im Labormaßstab genutzt. (Bild: Fh.-CSP)

Die Hochvakuumbeschichtungsanlage am Fraunhofer CSP wird im Rahmen des Projekts für einen wichtigen Teil der Beschichtungsexperimente im Labormaßstab genutzt. (Bild: Fh.-CSP)

Hoher Wirkungsgrad bei niedrigeren Herstellungs­kosten: Mit diesen Qualitäten gewinnen Dünnschicht-Solar­module weltweit Marktanteile. Besonders viel­versprechend sind dabei Module auf Basis von Cadmiumt­ellurid. Ihr Potenzial auszuschöpfen und für die Fertigung im Industrie­maßstab nutzbar zu machen, ist das Ziel eines gemeinsamen Projektes des Fraunhofer CSP und der Calyxo GmbH.

Rund 90 Prozent der weltweit installierten Photo­voltaik-Anlagen arbeiten mit Solar­zellen aus kristallinem Silizium. Dabei haben Dünnschicht-Module etliche Vorteile: Sie sind leichter, kommen besser mit Verschat­tungen zurecht und liefern bei Schwachlicht­bedingungen höhere Erträge. Auch in der Herstellung gibt es deutliche Pluspunkte für die Dünnschicht­photovoltaik. Der Energie- und Material­verbrauch bei der Herstellung ist deutlich geringer, was die Fertigungs­kosten senkt und beim wichtigen Verhältnis von Kosten zu Stromertrag schon bei kleineren Stück­zahlen für konkurrenz­fähige Werte sorgt.

Die Calyxo GmbH hat sich auf die Herstellung solcher Dünnschicht­solarmodule spezialisiert. Solche Module bestehen aus mehreren Lagen von photo­sensiblen Schichten, die nur wenige Mikrometer dünn sind und zwischen einer durchsichtigen Front-Abdeckplatte und einer Glasrückplatte aufgebracht werden. Der Multilagen­schichtstapel wird durch die sequen­zielle Abscheidung von mehreren Einzel­schichten hergestellt, die verschiedene, aufeinander abgestimmte Halbleiter­eigenschaften haben. Die Firma aus dem Solar Valley bei Bitterfeld setzt dabei vor allem auf die  Cadmium­tellurid-Techno­logie. Diese hat im Labor­maßstab bereits ihre Leistungs­fähigkeit hinsichtlich Wirkungs­grad (> 18,7 Prozent) und Kosten­effizienz (< 0,35 Euro pro Wp) bewiesen. Diese Rekord­ergebnisse konnten durch den Einsatz von neuen Halbleiter­materialien erreicht werden. Gemeinsam mit dem Fraunhofer CSP soll nun in einem bis November 2017 laufenden Projekt daran gearbeitet werden, dieses Potenzial zu realisieren. Wesent­licher Hebel dabei ist der Einsatz von neuen Halbleiter-Schichtstapeln. Dazu sind grund­legende und systema­tische Forschungs­arbeiten notwendig: zum Halb­leiter-Engineering, zur Prozess­technik und für die nachfolgende Umsetzung in der Fertigung von Solar­modulen.

Die Projekt­partner wollen neben den neuen Materialien beispiels­weise auch innovative Abscheide- und Strukturierungs­verfahren erforschen. Dabei sollen auch neue Mess­verfahren erprobt werden. „Bestimmend für die Effizienz der Solarzelle sind zum einen die struk­turellen und elek­tronischen Eigen­schaften der verschiedenen Halb­leiter-Schichten selbst. Zum anderen gibt es elektro­optische und elektro­nische Merkmale, die den Wirkungs­grad einschränken, vor allem an den Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten. Dort wollen wir ansetzen“, erklärt Volker Naumann, der das Projekt am Fraunhofer CSP betreut.

Die Opti­mierung der Schichten und Grenzflächen soll durch eine gezielte Entwicklung von einzelnen Prozess­schritten sowie eine begleitende Halbleiter­charakterisierung an Minisolar­zellen erfolgen. Calyxo ist dabei für die techno­logische Weiter­entwicklung und Anpassung der Abscheide-, Akti­vierungs- und Temperprozesse für die neuen Halbleiter­materialien verantwortlich, die sowohl im Labor­maßstab sowie entlang der bestehenden Produktions­linie bei Calyxo erfolgt. Das Fraunhofer CSP übernimmt die tiefer­gehende Charak­terisierung der Halbleiter­materialien und die Ableitung von Parametern für die produktions­nahe Optimierung.

„Durch systema­tische Experimente werden wir ein grund­legendes Verständnis der Schicht­eigenschaften erlangen und herausfinden, welchen Einfluss diese Eigenschaften auf die elek­trisch-optischen Kennwerte des Solar­moduls haben. Dann gilt es, Verfahren zu entwickeln, mit denen sich die Schicht­eigenschaften gezielt anpassen lassen und wir die Schichten kosten­günstig und massen­produktions­tauglich herstellen können“, sagt Frank Becker aus der Entwicklungs­abteilung bei Calyxo. Wenn das gelingt, erwarten die Projekt­partner durch das optimierte Design eines neuartigen Schichtstapels für Cadmium­tellurid-Solarzellen einen signi­fikanter Wirkungs­gradhub von mindestens drei Prozent absolut im Labor­maßstab. Damit wäre ein wichtiger Beitrag geleistet, um den Marktanteil von Dünnschicht-Solarmodulen weiter zu steigern und somit die kosten­effiziente Strom­erzeugung aus erneuer­baren Energien zu stärken. (Quelle: Fh.-CSP)

Links: Photovoltaik, Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, Halle • Calyxo GmbH, Bitterfeld-Wolfen

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