Schematischer Aufbau der Zelle.
Der Forschungsschwerpunkt des Instituts für Solartechnologien ist die Entwicklung und Herstellung besonders preisgünstiger Solarmodule auf der Basis einer weltweit neuartigen, flexiblen Dünnschichtsolarzelle. Grundlage dieser neuen, flexiblen Solarzelle ist der Verbindungshalbleiter Kupfer-Indium-Disulfid (CuInS2).
Die Verbindungshalbleiter Kupfer-Indium-Diselenid und Kupfer-Indium-Disulfid (beide werden synonym als CIS bezeichnet) sind bestens für die Anwendung als photoaktives Absorbermaterial in Solarzellen geeignet.
Die Halbleiter besitzen einen für Solaranwendungen geeigneten Bandabstand. Daher können mit diesen Materialien theoretisch ca. 24 % (CuInSe2) bzw. 30 % (CuInS2) des Sonnenlichts in elektrische Energie umgewandelt werden.
Sie haben einen hohen Absorptionskoeffizienten. Deshalb genügt schon eine sehr dünne Halbleiterschicht von etwa 1 µm, um über 90 % des Sonnenlichts zu absorbieren.
Sie sind durch Eigendefekte dotierbar. Somit lassen sich der Leitungstyp und die Ladungsträgerkonzentrationen der Halbleiter für die Anwendung in Solarzellen optimieren. Prinzipiell ist die Implementierung eines internen elektrischen Feldes durch Leitungstypumkehr möglich.
Kernstück unserer im Weltmaßstab neuen Technologie ist die einseitige Erzeugung einer CIS-Absorberschicht auf 30 µm bis 100 µm dicken und 1 cm breiten Metallbändern (CISCuT).
Die fertige Bandsolarzelle entsteht in einem zweiten technologischen Schritt. Hierbei wird auf den CIS-Bandabsorber eine sehr dünne Pufferschicht zur Trennung der lichterzeugten Ladungsträgerpaare aufgebracht und darüber eine transparente, hoch leitfähige Deckschicht zur Abführung der Ladungsträger abgeschieden. Nachfolgende Abbildung zeigt schematisch den Aufbau der Zelle sowie eine Bandsolarzelle, hergestellt nach dem CISCuT-Konzept.
Schematischer Aufbau der Zelle.
Nach dem CISCuT-Konzept hergestellte Bandsolarzelle.
Die Bandsolarzellen sind ca. 1 cm breit. Damit benötigen sie kein metallisches Gitter für die Stromableitung.
Die Solarzellen sind ultradünn und leicht. Sie sind damit für die unterschiedlichsten Anwendungen im Indoor- und Outdoor-Bereich geeignet.
Die Zellen sind biegsam. Damit lassen sich wahlweise flexible und starre PV-Module herstellen.
In einem dritten Schritt werden Zellstreifen der Bandsolarzelle durch Kontaktieren der Rückseitenelektrode des ersten Zellstreifens mit der Frontseitenelektrode des nächsten Zellstreifens schindelartig zu serienverschalteten Strings montiert. Die Überlappung beträgt ca. 0,5 mm. Durch die Anzahl der serienverschalteten Streifen kann die elektrische Spannung des PV-Moduls genau definiert werden. Um den Strom des Moduls zu variieren, werden mehrere der serienverschalteten Strings mittels zweier Stromabführungen an den Rückelektroden parallelverschaltet. Dabei kontaktiert das erste Stromabführungsband die Rückelektrode des jeweils ersten Zellstreifens jedes Strings, das andere Stromabführungsband den jeweils letzten Zellstreifen jedes Strings. Zwischen den Stromabführungen und allen anderen Zellstreifen ist eine elektrisch isolierende Schicht angebracht. In nachfolgender Abbildung ist ein serien- und parallelverschaltetes Modul mit vier Strings aus jeweils zehn Zellstreifen schematisch dargestellt.
Schematische Darstellung der schindelartigen
Serienverschaltung.
Der Strom des Moduls kann durch die Länge der Zellstreifen sowie durch die Anzahl der parallelverschalteten Strings frei gewählt und exakt definiert werden.
Durch Laminierung in eine Front- und Rückseitenfolie entstehen flexible, sehr leichte und mechanisch robuste PV-Module; die Herstellung starrer Module im Glas/Glas- oder Glas/Polymerverbund ist ebenfalls möglich.
Mit dieser Verschaltungstechnologie können - ausgehend von einer Bandsolarzelle - PV-Module gefertigt werden, die in Strom, Spannung und elektrischer Leistung wie auch in Form, Größe und in der Art der Verkappung den unterschiedlichsten Anwendungen im Indoor- und Outdoor- Bereich entsprechen. Von Kleinanwendungen über PV-Module mittlerer Leistung bis hin zu großen Leistungsanwendungen kann die gesamte Produktpalette erfaßt werden.
Die Verfahrensschritte zur Herstellung der flexiblen CIS-Dünnschichtsolarzellen sind beim gegenwärtigen Entwicklungsstand fünf kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Prozesse. Die technologischen Teilschritte werden in folgender Abbildung am Beispiel von CuInS2 dargestellt.
Die technologischen Teilschritte.
In einem ersten Schritt wird das Metallband, das gleichzeitig die Rückelektrode der Solarzelle bildet, elektrochemisch gereinigt und nachfolgend elektrolytisch mit Kupfer beschichtet. Die Kupferschicht ist typischerweise 2 µm bis 5 µm dick. Um den Precursor für die nachfolgende Bildung des Halbleiters zu formieren, wird das Band nun einseitig elektrolytisch mit Indium beschichtet. Die Indiumschicht ist ca. 1 µm dick.
In einem zweiten Schritt werden die Ränder des Precursorbandes naßchemisch mit einer glasartigen Schicht versehen, in einem Schmalspaltreaktor wird das Band erhitzt, die Oberfläche durch Reaktion mit gasförmigen Schwefel in die halbleitende Cu/In/S-Absorberschicht umgewandelt. Nach dem chemischen Entfernen der binären Cu2Sx-Oberflächenschicht wird in einem vierten Rolle-zu-Rolle-Prozeß die CuI-Pufferschicht durch Sprayauftrag abgeschieden. In einem letzten Schritt wird eine ZnO:Al Frontelektrode mittels Sputtern abgeschieden. Es entstehen quasi unendlich lange Bandsolarzellen. Aus anlagentechnischen Gründen sind die Längen derzeit auf ca. 350 m beschränkt.
Die Verfahren sind mit Ausnahme der Frontelektrodenabscheidung Nicht-Vakuum-Prozesse, die geringe Investitions- und damit Fertigungskosten erwarten lassen.
Die Verfahrensschritte zur Verschaltung und Laminierung der Bandsolarzellen zu flexiblen Solarmodulen sind in einem automatisierten Prozeß integriert. Die nachfolgende Abbildung zeigt schematisch das Anlagen- und Verfahrenskonzept.
Das Anlagen- und Verfahrenskonzept.
Von einer Rolle wird der transparente Frontfolienverbund kontinuierlich abgerollt und durchläuft die nachfolgenden Arbeitsstationen. In der ersten Station wird senkrecht zur Frontfolienlaufrichtung die Bandsolarzelle von einer Vorratsspule abgezogen, mit der Frontelektrode in den Folienverbund einkaschiert und in definierte Längen einzelner Zellstreifen geschnitten. Die einzelnen Zellstreifen werden dabei durch die schindelartige Überlappung serienverschaltet. Es entstehen einzelne Strings von serienverschalteten Zellstreifen.
In der folgenden Station werden die Rückelektroden der einzelnen Zellstreifen elektrisch isoliert, die Ableitstreifen für die Parallelverschaltung aufgebracht und mit den entsprechenden Rückelektroden verlötet. Mit dieser Station wird die Leistung des Moduls definiert.
Die folgende Station kaschiert die Rückseitenfolie auf den Verbund, gefolgt von der Station zur Vereinzelung der Module. Eine Stapeleinheit beendet die Montagestraße.
Die Vorteile der neuen Bandtechnologie gegenüber anderen Dünnschichttechnologien zur Solarmodulherstellung liegen einerseits in der Multifunktionalität des Metallbandes. Das Band ist zugleich
Anderseits gestattet die Verlagerung der Verschaltung von Bandzellen zu Modulen in die Modulmontage eine im Gegensatz zu anderen Dünnschichtverfahren einfachere Technologie mit weniger verfahrenstechnischen Einzelschritten. Diese Verschaltungstechnologie ermöglicht
eine frei wählbare Modulgestaltung in Form, Größe und elektrischer Leistung,
eine definierte Einstellung der elektrischen Spannung, des Stroms und der Leistung entsprechend den Anwendungen,
die Herstellung flexibler, leichter und mechanisch robuster Solarmodule im Kunststoff-Verbund und
die Fabrikation starrer Module im Glas/Glas- oder Glas/Kunststoff-Verbund.
Die Geometrie der Bandbeschichtungsanlagen zur Solarzellenherstellung definiert weder die Modulgröße noch ihre Form und Flexibilität; ein Upscaling der technischen Anlagen und Spezialausrüstungen zur Solarzellenherstellung ist nicht notwendig.
Der geringe Materialeinsatz durch Wahl eines geeigneten Absorbermaterials, die niedrige Anzahl der technologischen Einzelschritte und die technologisch relativ einfachen und automatisierbaren Herstellungsverfahren führen in Summe zu einer deutlichen Reduktion der Kosten der solaren Stromgestehung. Bei Annahme einer 15- bis 20jährigen Standzeit dieser Photovoltaikmodule ergeben sich unter den solaren Einstrahlungsbedingungen Mitteleuropas Strompreise, die den heutigen kommerziellen Stromgestehungskosten näherkommen.
Beim gegenwärtigen Entwicklungsstand können im Technikums- bzw. Labormaßstab flexible Dünnschichtsolarzellen kontinuierlich von Rolle zu Rolle nach dem oben beschriebenen Technologiekonzept hergestellt werden. Derartige Solarzellen zeigen Wirkungsgrade um 9 %.
U/j-Kennlinie der Probe G33/65ntt.
| U0c | = | 599 mV |
| Isc | = | -17,94 mA/cm2 |
| FF | = | 63 % |
| ETA | = | 6,80 % |
| Rse | = | 3,4 ohm/cm2 |
| Rsh | = | 487 ohm/cm2 |
Unabhängige Messungen des Frauenhofer-Instituts Solare Energiesysteme an CISCuT-Solarzellen bestätigen die eigenen Messungen:
