T4nPV

Tailored for Next PV

Innovative Laserverfahren und –systeme für die Dünnschichtphotovoltaik

Die Pho­to­vol­taik (PV) ist ihren Kin­der­schu­hen ent­wach­sen und hat sich zu einer respek­ta­blen Indus­trie ent­wi­ckelt. So waren Ende 2011 welt­weit bereits ca. 67 GW PV-Leis­tung instal­liert. Aktu­ell kämp­fen viele, beson­ders auch deut­sche, Zell- und Modul­her­stel­ler mit stark gefal­le­nen Markt­prei­sen und einem extrem aggres­si­ven Wett­be­werb. Den­noch ist es abzu­se­hen, dass die Pho­to­vol­taik sich mit­tel- und lang­fris­tig zu einer wich­ti­gen Säule der zukünf­ti­gen Ener­gie­ver­sor­gung ent­wi­ckeln wird. Ins­be­son­dere für ver­gleichs­weise son­nen­rei­che Schwel­len­län­der mit stark stei­gen­dem Ener­gie­be­darf bie­tet Pho­to­vol­taik die Chance, die umwelt­schäd­li­che Nut­zung fos­si­ler Ener­gie­trä­ger zur Strom­erzeu­gung zu ver­rin­gern.

Der ent­schei­dende Schlüs­sel für den wirt­schaft­li­chen Erfolg ein­zel­ner Unter­neh­men, wie auch für den Erfolg der Tech­no­lo­gie ins­ge­samt lag und liegt in der Effi­zi­enz der Solar­mo­dule, kom­bi­niert mit ihren Her­stell­kos­ten in Euro pro Watt. Die zen­trale Her­aus­for­de­rung dabei sind höhere Modul­ef­fi­zi­en­zen bei gleich­zei­tig noch­mals deut­lich redu­zier­ten Pro­duk­ti­ons­kos­ten. Aktu­ell besit­zen sowohl kris­tal­line als auch Dünn­schicht-Tech­no­lo­gien wei­ter­hin gro­ßes Inno­va­ti­ons­po­ten­tial auf allen Stu­fen der Wert­schöp­fungs­kette. Ins­be­son­dere die Poten­tiale in der CIGS-Dünn­schicht­tech­no­lo­gie wer­den hier­bei als beson­ders groß ange­se­hen.

T4nPV1

Sche­ma­ti­scher Auf­bau einer CIGS-Dünn­schicht­zelle mit den Struk­tu­rie­rungs­grä­ben P1, P2 und P3; die gel­ben Pfeile zei­gen den Strom­fluss im Modul, die roten die Erzeu­gung der Ladungs­trä­ger [Laser Tech­nik Jour­nal 5, 16 (2013)].

Das BMBF-Ver­bund­pro­jekt „Tailo­red for Next PV – T4nPV“ hat das Ziel, den Spa­gat zwi­schen Effi­zi­enz­stei­ge­rung und Kos­ten­sen­kung der CIGS-Tech­no­lo­gie zu ver­klei­nern. Zu die­sem Zweck sol­len neue Laser­tech­ni­ken für die inte­grierte Ver­schal­tung in CIGS-Dünn­schicht­mo­du­len erar­bei­tet wer­den, wel­che eine deut­lich prä­zi­sere und güns­ti­gere Mas­sen­fer­ti­gung als heute erlau­ben.

Als zen­tra­ler Bestand­teil die­ser Module wan­deln meh­rere mikro­me­ter­dünne Schich­ten das Son­nen­licht in Strom um. Die Schich­ten wer­den in meh­re­ren Schrit­ten über­ein­an­der auf Glas­schei­ben abge­schie­den. Zwi­schen den ein­zel­nen Abschei­dungs­schrit­ten wer­den dabei Trenn­grä­ben ein­ge­bracht, wel­che die Schich­ten in ein­zelne Zel­len auf­tei­len und diese inte­griert in Serie ver­schal­ten. Diese inte­grierte Seri­en­ver­schal­tung ermög­licht so eine hohe Modul­span­nung bei klei­nem Modul­strom und redu­ziert dadurch die Wider­stands­ver­luste. Da die Ver­schal­tungs­grä­ben jedoch die aktive Flä­che des Moduls ver­rin­gern, erlau­ben nur extrem schmale und opti­mal zuein­an­der aus­ge­rich­tete Trenn­schnitte eine Maxi­mie­rung der Modul­ef­fi­zi­en­zen.

 Heute wer­den zur Ver­schal­tung mecha­nisch abtra­gende und damit auch ver­schlei­ßende Werk­zeuge ver­wen­det, wel­che sehr breite und unre­gel­mä­ßige Trenn­grä­ben erzeu­gen. Diese mecha­ni­schen Werk­zeuge sol­len durch einen schnel­len, berüh­rungs- und damit ver­schleiß­freien Laser ersetzt wer­den, der gleich­zei­tig eine deut­li­che Reduk­tion der Ver­schal­tungs­brei­ten ermög­licht. Dadurch kann die Modul­ef­fi­zi­enz signi­fi­kant gestei­gert wer­den. Die hier­für geplan­ten For­schungs­ar­bei­ten erfor­dern einen ganz­heit­li­chen Ansatz, der die Grund­la­gen des Laser­pro­zes­ses, die not­wen­di­gen Sys­tem­kom­po­nen­ten und spe­zi­ell ange­passte Laser­strahl­quel­len umfasst.

Für sili­zi­um­ba­sierte Dünn­schicht­tech­no­lo­gien sind Laser­pro­zesse zur Ver­schal­tung bereits ent­wi­ckelt. Das Dünn­schicht­ma­te­rial CIGS kann jedoch heute noch nicht zufrie­den­stel­lend mit dem Laser struk­tu­riert wer­den. Eine der Her­aus­for­de­run­gen liegt im Schicht­auf­bau begrün­det: Da die erste Schicht nicht licht­durch­läs­sig ist, muss bei CIGS der zweite und dritte Struk­tu­rie­rungs­schritt von der Schicht­seite her erfol­gen. Hier ermög­li­chen erst neue Laser­sys­teme mit kür­ze­ren Pul­sen ein selek­ti­ves Abtra­gen der dün­nen Schich­ten ohne Schä­di­gung der dar­un­ter lie­gen­den Struk­tu­ren.

T4nPV2
Hoch­ge­schwin­dig­keits-Bild­se­ri­en­auf­nahme einer durch einen Laser­puls abge­lös­ten Scheibe der Rück­kon­takt­schicht eines CIGS-Solar­mo­duls. Der nur wenige bil­li­ons­tel Sekun­den kurze Laser­puls sprengt eine ca. 0,3 Mikro­me­ter dicke und 20 Mikro­me­ter durch­mes­sende Molyb­dänscheibe von der Glas­scheibe ab [Opt. Express 21, 16431 (2013)].

Im Rah­men von T4nPV haben sich die hoch kom­pe­ten­ten Indus­trie­part­ner Robert Bosch GmbH, Bosch Solar Cis­Tech GmbH, Befort Wetz­lar OD GmbH, Lay­Tec AG, TEM Mess­tech­nik GmbH, Trumpf Laser GmbH + Co., sowie das Insti­tut für Ange­wandte Phy­sik (IAP) der Uni­ver­si­tät Jena und das Insti­tut für Strahl­werk­zeuge (IFSW) der Uni­ver­si­tät Stutt­gart zusam­men gefun­den, um ganz­heit­lich die erfor­der­li­chen Arbei­ten an Laser­pro­zess, Optik, Sys­tem und Pro­dukt anzu­ge­hen und im Erfolgs­fall mit kos­ten­güns­ti­gen, hoch­ef­fi­zi­en­ten CIGS Solar­mo­du­len, sowie wett­be­werbs­fä­hi­gen Hoch­leis­tungs-Sys­tem­kom­po­nen­ten am Markt Vor­teile zu erzie­len.

 

» Schluss­be­richt T4nPV

Koordinator

Dr. Andreas Letsch
Robert Bosch GmbH

Postfach 300240
70442 Stuttgart
Tel.: +49 711/811-8204
e-Mail: andreas.letsch@de.bosch.com

Projektvolumen

11,5 Mio €
(ca. 52% Förderanteil durch das BMBF)

Projektlaufzeit

1.08.2011 — 31.12.2014

Projektpartner

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung Teil des Photonik Forschung Deutschland-Programms