Das nächste Level für Dünnschicht-Solarmodule

Hoher Wirkungsgrad bei niedrigeren Herstellungskosten: Mit diesen Qualitäten gewinnen Dünnschicht-Solarmodule weltweit Marktanteile. Besonders vielversprechend sind dabei Module auf Basis von Cadmiumtellurid (CdTe). 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.

Experiment Laborversuch Dünnschicht-Solarmodule
© Fraunhofer CSP

Die Hochvakuumbeschichtungsanlage am Fraunhofer CSP wird im Rahmen des Projekts für einen wichtigen Teil der Beschichtungsexperimente im Labormaßstab genutzt.

Schema Aufbau Schichten Darstellung
© Calyxo

So ist ein Dünnschichtmodul aufgebaut: [1] Frontglas, [2] Transparenter Frontkontakt: hochtransparente Schicht mit ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit für maximale Lichtdurchlässigkeit und nahezu widerstandsfreiem Stromtransport, [3] CdS-Schicht, [4] CdTe-Schicht, [5] Rückkontakt: hochfestes, elektrisch leitfähiges Metall, [6] Glasverbundfolie: wasserunlösliche Versiegelung, sicherer Schutz vor der Entweichung von Inhaltsstoffen (z. B. bei etwaiger Beschädigung) sichere Versiegelung der Modulränder, [7] Rückglas: speziell gehärtetes, auf Langzeitanforderungen ausgerichtetes Glas, [8] Anschlussdose: inklusive Solarkabel und Steckverbinder.

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 neuartige 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 Dr. 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 (auf dem Equipment der Forschungslinie und auf der Forschungs-Beschichtungssanlage am Fraunhofer CSP) 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 3 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.