Dünnschichtphotovoltaik gilt als vielversprechende Alternative zu konventioneller, auf Wafern basierender Photovoltaik (PV). Dünnschicht-Technologien ebnen den Weg für kostengünstige Produktionsverfahren und eröffnen neue Anwendungsgebiete der Photovoltaik. Im Hinblick auf die industrielle Verwertung gelten Dünnschichtsolarzellen auf Basis von Kupfer-Indium-Gallium-(Di)Selenid (CIGS) als ein vielversprechender Kandidat für zukünftige Photovoltaikanwendungen. Sie vereinen hohes Wirkungsgradpotenzial, gute Langzeitstabilität und können auf unterschiedlichen Substraten, wie Glas und Folien aufgebracht werden. Das österreichische Unternehmen Sunplugged entwickelt seit 2010 eine grundlegend neue, flexible CIGS-Dünnschichtsolarzelle. Diese Solarzellen können „on-the-fly“ so verschaltet werden, dass dadurch unterschiedliche Geometrien und Modulspannungen einfach realisiert werden können.Bis zu Beginn des Projekts wurden die Dünnschichtsolarzellen bei Sunpluged auf dünnen Kunststofffolien entwickelt. Der von Sunplugged entwickelte Prozess zur Herstellung der CIGS-Schicht ist eine weltweite Novität und ermöglicht eine gute Schichthaftung und sowie eine großflächige Homogenität, da die Elemente Kupfer, Indium und Gallium über ein gut kontrollierbares Verfahren (Sputtering) abgeschieden werden. Für den Transfer der Technologien in die industrielle Produktion sind jedoch zahlreiche Ursachen von Problemen in Kontext von Reproduzierbarkeit und Flächenskalierung zu erforschen und entsprechende Lösungen zu entwickeln.
Ausgangssituation
Bei Projektstart konnte Sunplugged mit einem neu entwickelten Beschichtungsprozess CIGS-Solarzelle mit Spitzenwirkungsgraden von 15,2% im Labor und über 10% in der Rolle-zu-Rolle-Herstellung auf dünnen Kunststofffolien herstellen. Trotz dieser Erfolge sind für die industrielle Verwertung reproduzierbare und stabile Prozesse notwendig. Gerade die Formation der CIGS-Schicht bei hohen Temperaturen und unter Selenatmosphäre führt zu zahlreichen Herausforderungen, wie beispielsweise auftretenden Mikrorisse im Schichtstapel durch die starke thermische und mechanische Belastung der verwendeten Kunststofffolien.
Das Scale-up Projekt beantwortete Forschungsfragen, die für die industrielle Hochskalierung von flexiblen CIGS-Solarzellen in kostengünstigen Rolle-zu-Rolleprozessen entscheidend sind.
Projektverlauf
Im Zuge des Scale-up Projektes wurde von Sunplugged ein stabiler, rissfreier Verbund aus Substrat und Rückkontakt entwickelt, der großflächig produzierte CIGS-Solarzellen mit geringen Wirkungsgradverlusten zulässt. Kern der Tätigkeiten war die Entwicklung eines hochtemperaturstabilen und flexiblen Trägerfolie für CIGS-Dünnschichtsolarzellen und der Nachweis der Funktionstüchtigkeit dieses Substrats für die Rolle-zu-Rolleherstellung von CIGS-Solarzellen.
Weitere Schwerpunkte des Projekts war Forschung zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit des neuen Kristallisationsprozesses von CIGS-Absorbern, der bei Sunplugged entwickelt wurde. Die Universität Innsbruck und das Austrian Institute Of Technology unterstützten die zahlreichen Experimente mit begleitenden Charakterisierungen der entwickelten Materialien und Solarzellen. Darauf aufbauend entwickelten die wissenschaftlichen Partner gemeinsam mit Sunplugged Mess- und Prüfsystemen für anwendungsspezifisch herstellbare, flexible Photovoltaikfolien. Basierend auf den Eigenschaften der flexiblen Photovoltaikmodule wurden von Sunplugged und SunnyBag zwei Produktkonzepte für die Nutzung von individualisierbaren, flexiblen CIGS Modulen in solarintegrierten Produkten entworfen und entsprechende Prototypen gebaut.
