Dünnschichtsolarzellen und -module benötigen aufgrund der dünnen Schichten ein geeignetes Trägersubstrat, meist eine Glasscheibe. Insbesondere auf der Vorderseite bietet Glas den wichtigen Vorteil der Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen sowie der mechanischen Stabilität, die auch extremen Wetterbedingungen stand hält. Einer der großen Vorteile der Dünnschichttechnologie liegt aber darin, dass auch andere – etwa besonders leichte und vor allem flexible – Substrate zum Einsatz kommen können. Die Materialien dafür reichen von Aluminium- oder Edelstahlfolien über Titanfolie bis hin zu Polyimid (PI). Mit flexiblen Modulen lassen sich neue Anwendungsfelder für die Photovoltaik erschließen (gekrümmte Flächen, abrollbare Dachbahnen, ultraleichte Solarmodule für die Raumfahrt, Integration von Solarzellen in Textilien usw.). Zudem besitzt die Abscheidung auf flexiblen Trägern ein großes Kostenreduktionspotenzial durch den geringeren Energieaufwand zum Aufheizen der Folien vor der Beschichtung und durch die Verarbeitung in sogenannten Bandbeschichtungsanlagen, wie sie beispielsweise in der Verpackungs- oder auch in der Druckindustrie zum Einsatz kommen.

Ansprechpartner

Dr. Friedrich Kessler
+49 (0)711 78 70-201
Prozessanpassung

// Anpassung der Prozesse bei flexiblen Substraten

Das ZSW arbeitet seit vielen Jahren an CIGS-Dünnschichtsolarzellen und -modulen auf solchen flexiblen, dünnen Substratfolien. Dabei müssen zahlreiche Prozessschritte, die für Glassubstrate entwickelt wurden, an die besonderen Eigenschaften der Substratfolie angepasst werden: Metallfolien benötigen zum Beispiel eine Isolationsbarriere unter dem Rückkontakt, damit die Solarzellen integriert in Serie verschaltet werden können. Für temperaturempfindliche Kunststofffolien muss die Prozesstemperatur bei der CIGS-Abscheidung um ca. 100-200 K abgesenkt werden. Alle Foliensubstrate machen zudem eine Modifizierung bei der CIGS-Beschichtung sowie die Entwicklung einer geeigneten flexiblen Verkapselung erforderlich. Zudem müssen zur Herstellung der integrierten Verschaltung die bei Glassubstraten verwendeten mechanischen Verfahren für die P2- und P3-Strukturierung durch andere Verfahren ersetzt werden, die die Barriereschicht bzw. die empfindliche Substratfolie schonen.

Flexibles CIGS-Solarmodul auf Titanfolie (z.B. für Weltraumanwendungen)
Rolle-zu-Rolle

// Herstellung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren

Ein weiterer Weg zur Senkung von Fertigungskosten ist die Verwendung flexibler Träger wie dünner Stahlbleche oder Polymerfolien, die von der Rolle verarbeitet werden können. Im Technikum des ZSW wird auf einer Beschichtungsanlage für 30 cm Bandbreite die Prozesstechnik für die gleichzeitige Abscheidung eines Rückkontaktes aus Molybdän (durch Kathodenzerstäubung), des Absorbers (gleichzeitiges Verdampfen von Kupfer, Indium und Gallium in Selenatmosphäre) sowie des Frontkontaktes (Kathodenzerstäubung von Zinkoxid) entwickelt. Die Trägerfolie (aktuell: Polyimid) durchläuft dabei in einer einzigen Vakuumkammer kontinuierlich die verschiedenen Bearbeitungsstationen. So lässt sich ein kilometerlanges Band mit funktionsfähigen Solarzellen herstellen, das anschließend geschnitten und zu Solarmodulen verarbeitet werden kann.

Schema der Rolle-zu-Rolle-Herstellung von flexiblen Solarzellen

// Module auf flexiblen Substraten

Polymer 10 x 10 cm2

 

 

Titan 20 x 30 cm2
Emaillierter Stahl 20 x 30 cm2
R2R-Anlage im ZSW-Labor zur Herstellung flexibler Solarmodule

Prinzipiell kann auch dünnes emailliertes Stahlband  mit diesem Rolle-zu- Rolle-Verfahren verarbeitet werden. Die beste Solarzelle, die im ZSW-Labor auf emailliertem Stahl hergestellt wurde (inline, aber nicht Rolle-zu-Rolle), hat einen Wirkungsgrad von 18,6 %, das beste integriert aus mehreren Einzelzellen verschaltete Kleinmodul erreicht 15,4 %. Flexible Solarzellen aus dem R2R-Labor des ZSW auf dem ca. 25 µm dünnen Trägermaterial Polyimid haben Wirkungsgrade bis zu 13,5 %.