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Route 16.6 Flexible CIGS solar cells with efficiencies above 16% and costs below 0,6 Euro per Watt for bespoke photovoltaic modules

Das österreichische Unternehmen Sunplugged entwickelt eine grundlegend neue, flexible Dünnschichtsolarzelle auf Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Selen (CIGS)-Absorbern. Diese Solarzellen können „on-the-fly“ so verschaltet werden, dass dadurch unterschiedliche Geometrien und Modulspannungen sehr einfach realisiert werden können.
Das Ziel des Projekts ist die Erforschung und Entwicklung neuer Materialien und Prozessinnovationen, welche eine Erhöhung des Wirkungsgrades von industriell herstellbaren flexiblen CIGS-Solarzellen mit einem von Sunplugged entwickelten CIGS-Prozess auf bis zu 14% erlauben. Darüber hinaus wurde erforscht, wie mit den flexiblen Solarzellen durch Nachbehandlungen (Post-Treatments) und den Einsatz von Anti-Reflexionsschichten weitere Wirkungsgradsteigerungen ermöglicht werden können . Dabei sollen auch Produktionskosten für fertig produzierte, individuell verschaltete Photovoltaikfolien (ohne Verkapselung) für die Geräte- und Bauwerksintegration von unter 0,6 Euro pro Wattpeak erreicht werden.

Das Projekt umfasste folgende Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte:

• Weiterentwicklung eines neuen kombinierten Beschichtungsprozesses (Hybrid-Prozess aus Verdampfung und Sputtering) zur Herstellung des CIGS-Absorbers.
• Entwicklung einer integrierten Quelle zur Versorgung mit hochreaktivem Selen-Schwefel-Gas während des Kristallisationsprozesses.
• Entwicklung von Sputtering-Materialien und Sputteringverfahren für den Hybridprozess, die eine Einbringung von Gallium und eine gezielte Galliumverteilung in der Absorberschicht erlauben und ein einfaches Handling und Recycling der Sputtermaterialien erlauben.
• Optimierung der Grenzflächen zwischen Absorptions-, Puffer- und Frontkontaktschichten durch den Einsatz thermischer Nachbehandlung.
• Entwicklung von Anti-Reflexionsschichten, welche auf die charakteristischen Eigenschaften der bedruckten und verschalteten CIGS-Solarzellen abgestimmt sind.

Ausgangssituation

Dünnschichtphotovoltaik gilt aufgrund ihres geringen Bedarfs an Energie und Material bei der Herstellung als vielversprechende Alternative zu konventionellen, auf Silizium-Wafern basierenden Solarmodulen. Dünnschicht-Technologien ebnen den Weg für kostengünstige Produktionsverfahren und eröffnen neue Anwendungsgebiete der Photovoltaik.
Als besonders erfolgsversprechend gelten Dünnschichtsolarzellen basierend auf einer Absorptionsschicht bestehend aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen. Diese sogenannten CI(G)S-Solarzellen, besitzen ein ähnlich hohes Wirkungsgradpotenzial, wie konventionelle, kristalline Silizium-Solarzellen.
Allerdings ist die Herstellung des CI(G)S-Halbleiters sehr komplex und für die kommerzielle Verwertung fehlt es an industriell einsetzbaren Prozessen und Materialien.
Entscheidend für den Wirkungsgrad der flexiblen Solarzelle ist die Herstellung des CIGS-Absorbers. Sunplugged hat einen patentierten Hybrid-Sputteringprozess hochskaliert und auf ein Rolle-zu-Rolleverfahren umgesetzt. Dabei werden anders als in konventionellen Koverdampfungsprozessen, die Elemente Kupfer, Gallium und Indium auf eine rotierende Trommel gesputtert und anschließend gemeinsam unter Selenatmosphäre verdampft.
Die von Sunplugged entwickelte Rolle-zu-Rolleverfahren hatte jedoch zu Projektbeginn zahlreiche Problemstellen. So konnte in CIGS-Pilotanlage die Selenmenge und Selenfluss im Vakuumprozess nicht kontrolliert gesteuert werden. Ein weiteres Problem war das Aufbringen von Gallium. Gallium hat einen sehr niedrigen Schmelzpunkt und aufgrund der Maschinenkonfiguration war kein reproduzierbares Sputtering von Gallium möglich.
Gemeinsam mit der Erforschung und Entwicklung von weiteren effizienzsteigernden Maßnahmen, wie die Anwendung von thermischen Nachbehandlungen soll das Wirkungsgradpotenzial des CIGS-Prozesses von Sunplugged ausgelotet und im Rolle-zu-Rolle-Betrieb demonstriert werden.

 

Projektverlauf

Projektschwerpunkt war die Weiterentwicklung eines neuen kombinierten Beschichtungsprozesses (Hybrid-Prozess aus Verdampfung und Sputtering) zur Herstellung des CIGS-Absorbers. Dabei wurde zuerst eine integrierte Quelle zur Versorgung mit hochreaktivem Selen-Schwefel-Gas während des Kristallisationsprozesses entwickelt und in die bestehende Rolle-zu-Rolle-Anlage implementiert.
Parallel wurde das Problem des während des Prozesses schmelzenden Galliums angegangen.
Die Verteilung von Gallium im Tiefenprofil der CIGS-Schicht hat großen Einfluss auf die Solarzelleneigenschaften . Der Gallium-Anteil ändert die Bandlücke des CIGS-Halbleiters in einem Bereich von 1,02 eV (ohne Ga) bis 1,68 eV (ohne In).
Im Bezug auf das Sputtering von Gallium wurden zwei Stragegien verfolgt. Die Fa. RHP entwickelte Sputter-Mischtargets für den Hybridprozess, die eine Einbringung von Gallium und eine gezielte Galliumverteilung in der Absorberschicht und ein Handling der Sputtermaterialien ohne zusätzliche Prozesskühlung erlauben.
Der zweite Ansatz war die Verbesserung der Prozesskühlung und die Entwicklung einer mäanderförmigen Kühlplatte zur Tiefkühlung des reinen Galliums.
Mit der optimierten CIGS-Anlage wurden unterschiedliche Prozesse getestet und schrittweise optimiert. Begleitend dazu wurden die Grenzflächen zwischen Absorptions-, Buffer- und Frontkontaktschichten durch den Einsatz thermischer Nachbehandlungen verbessert.

 

 

Meilensteine

  1. Weiterentwicklung eines neuen kombinierten Beschichtungsprozesses zur Abscheidung des Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Absorbers für die Herstellung von CIGS-Solarzellen
  2. Entwicklung von Sputtering-Materialien und Sputtering-Verfahren zur Einbringung von Gallium
  3. Implementierung und Optimierung einer externen Selenquelle
  4. Aufbau einer Versuchsanlage für die Nachbehandlung von CIGS-Solarzellen
  5. Effizienzsteigerung der Solarzellen durch gezielte Alkalimetallzugabe
  6. CIGS-Solarzellen mit verbessertem Galliumgradienten im Rolle-zu-Rolle-Verfahren
  7. Entwicklung eines Konzepts, mit dem die Zielkosten von 0,6 Euro/Wattpeak in einer Rolle-zu-Rolle-Produktion erreicht werden können

Ergebnisse

Im Projekt konnten folgende Ergebnisse erzielt werden:
1. Entwicklung von temperaturstabilen, galliumlegierten Beschichtungsmaterialien für das Sputtering von Gallium zur Herstellung von CIGS Solarzellen.
2. Entwicklung eines Sputteringverfahrens zum gezielten Einbringen von reinem Gallium in den CIGS-Prozess. Reines Gallium ist aufgrund des geringen Schmelzpunkts kaum reproduzierbar mit Sputteringverfahren verarbeitbar. Dadurch können Kosten für teure Legierungen wesentlich reduziert werden bzw. das Recycling der verbleibenden Materialien ist sehr einfach durch Einschmelzen des ungenutzten Materials möglich.
3. Implementierung und Optimierung einer externen Selenquelle in die bestehende Versuchsanlage bei Sunplugged (Proprietärer Prozess bei dem die Metalle Kupfer, Indium und Gallium in Selenatmosphäre gesputtert werden und dadurch die CIGS-Schicht gebildet wird).
4. Aufbau einer Versuchsanlage für die Nachbehandlung (Post-Treatments) von CIGS-Solarzellen und die Generierung grundlegenden Wissens zur Nachbehandlung von flexiblen CIGS-Solarzellen durch Post-Treatment-Versuche mit und ohne Alkalimetallzugabe.
5. Erreichen von CIS-Solarzellen mit >10,6% Wirkungsgrad (ohne Gallium und Post-Treatment)
6. Herstellung von CIGS-Solarzellen mit Galliumgradienten im Rolle-zu-Rolle-Verfahren.
7. Erarbeitung eines Produktionskonzepts mit dem die Zielkosten von 0,6 Euro/Wattpeak in einer Rolle-zu-Rolle-Produktion erreicht werden.

Steckbrief