Gedruckte Kontakte Kostengünstig gedruckte Kontakte für Photovoltaik-Module im Rolle-zu-Rolle Produktionsprozess

Projektverlauf

Um das Projektziel zu erreichen, wurde das Projekt in 4 einzelne Phasen oder auch Arbeitspakete unterteilt.

In einem ersten Schritt wurden die Anforderungen an den Druckprozess und die Kontaktmaterialien ermittelt und definiert. Entsprechend diesen Anforderungen wurden die verschiedensten Kontaktmaterialien (Graphit- und Silberpasten) eruiert und evaluiert. Zusätzlich wurden die verschiedenen Kontaktmaterialien unter Anwendung der verschiedensten Drucktechniken analysiert und bewertet. Nach weiteren verschiedenen Tests und Adaptierungsarbeiten konnten die ersten größeren Flächen kontinuierlich in der gewünschten Qualität und Geschwindigkeit gedruckt werden.

Im zweiten Arbeitspaket wurden die Anforderungen an den Druckprozess und an die Polymerschicht definiert. Hierbei wurde vor allem auf das Know-how des Projektpartners Forster zugegriffen. Danach begann man die unterschiedlichsten Materialien auf ihre Tauglichkeit zu untersuchen. Nach ersten Anpassungen des Druckprozesses und sehr erfolgreichen Vorversuchen, konnte mittels ausgewählten UV-Polymers bereits eine erste strukturierte Membran gedruckt werden. Da die Genauigkeit und die Toleranzen nicht den definierten Anforderungen entsprachen, wurde ein System für die Positionierung des Druckbogens erprobt und in den Druckprozess integriert. Mit dem angepassten Druckprozess wurden mehrere Membranen gedruckt, in welche bereits das photoaktive Pulver eingestreut und eingepresst wurde, um auch das finale Verhalten im fertigen Modul evaluieren zu können. Die optische Prüfung des eingepressten photoaktiven Pulvers ergab ein sehr zufriedenstellendes Einpressbild (sehr hohe Dichte der Halbleiterkörner), was zu einer Vergrößerung der lichtaktiven Fläche und damit des Modulwirkungsgrades führte. Die weiteren elektrischen Auswertungen ergaben jedoch, dass das Polymer den Wirkungsgrad des Moduls signifikant verschlechtert. Nach weiteren Versuchen konnte schlussendlich ein geeignetes Polymer erfolgreich qualifiziert werden.

Im dritten Arbeitspaket wurden gemeinsam mit dem Projektpartner die Anforderungen an den Druckprozess und an das Kontaktmaterial für die Umsetzung des Z-Kontaktes definiert. Zusätzlich wurde definiert, wie die prozesstechnische Umsetzung des Druckprozesses durchgeführt werden soll. Die ersten Versuche wurden mittels eines Siebdruck-Halbautomaten und mit einem 20 × 20 cm² Layout durchgeführt. Zusätzlich wurden die verschiedenen Siebe- und Maschineneinstellungen getestet und die Ergebnisse bewertet. Nach Festlegung der Produktionsparameter wurden Layouts hochskaliert und in Richtung Rolle-zu-Rolle-tauglichen Prozess adaptiert. Der nächste Schritt war die Umsetzung der Hockskalierung von 20 × 20 cm² auf 30 × 100 cm² in der Produktion. Die Z-Kontakte bzw. Silberlinien wurden so gedruckt, dass die Zellen parallel zur langen Seite des Moduls orientiert sind. Das Modul besteht aus 23 Zellen der Fläche 12 × 1000 mm². Die Ausgangspannung des Moduls beträgt 12 V.

Im Arbeitspaket 4 mussten für einen Frontkontakt einige wichtige Kriterien erfüllt werden: die Transparenz, um genügend Licht zur Stromerzeugung durchzulassen, und die Leitfähigkeit, die es ermöglicht, den Strom aus den Zellen abzuführen. Daneben ist es wichtig, dass sich der Kontakt unserer rauen Topologie anpasst und sich bei niedrigen Temperaturen (< 150 °C) prozessieren lässt. Nicht zuletzt muss der Prozess sich auch wirtschaftlich als rentabel erweisen. Als Ausgangsprozess wurde hausintern ein Sputterprozess für den batchweisen Auftrag des Frontkontakts evaluiert. Davon ausgehend wurden verschiedene Sputtertechniken und Materialien charakterisiert. Als weitere Alternative, einen vakuumfreien Frontkontakt aufzubringen, wurden aus einer Lösung abgeschiedene Silber-Nanodrähte verwendet. Diese Lösung lässt sich durch gängige Verfahren wie Rakeln oder Sprühen aufbringen. In unserem Fall wurden die Nanodrähte aufgerakelt. Untersuchungen der Transmission und Leitfähigkeit auf Glas zeigten ein sehr vielversprechendes Verhalten. Durch den Einsatz von Silber-Nanodrähten ist es uns nun möglich, vakuumfreie Alternativen auch dann in Betracht zu ziehen, wenn ihre eigentliche Leifähigkeit nicht ausreicht, denn durch den anschließenden Auftrag von Nanowires kann diese Materialeigenschaft verbessert werden.

Ergebnisse

Durch das hier beschriebene Projekt konnte ein Prozess entwickelt werden, der es erlaubt, die crystalsol-Technologie kosten- und aufwandseffizient in einen Produktionsprozess umzusetzen. Sämtliche Produktionsschritte konnten auf bestehenden Produktionsmaschinen der Forster GmbH durch Anpassungen der Prozesse und Verfahren realisiert werden. Der erfolgreiche Transfer der Produktionsschritte auf industrielle Rolle-zu-Rolle Anlagen konnte durch die Fertigung von vollflexiblen, funktionalen Mustern der Größe 30 × 100 cm² eindrucksvoll demonstriert werden. Die Lösung muss weiter perfektioniert werden. Prozessschritte wie z.B. die Pulvereinbettung und der Schleifprozess vor Rückkontaktbeschichtung müssen noch effizient in den Prozess integriert werden. In weiterer Folge wird daran gearbeitet, den Durchsatz weiter zu erhöhen.

Der erfolgreiche Abschluss des Projektes „Gedruckte Kontakte“ leistete einen wesentlichen Beitrag zum grundsätzlichen Nachweis der Eignung der crystalsol Technologie für die Fertigung von flexiblen PV-Modulen mittels industrieller Druckverfahren, insbesondere mittels des Siebdruckes. Die vorliegenden Ergebnisse haben sich dabei vor allem auf die effiziente Herstellung der Kontaktschichten konzentriert.