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NoFRONTIERS Novel Flexible, R2R produced, Non-toxic, Individualizable, high-Effficent and Robust Solar modules

Der innovative Sunplugged-CIGS-Prozess und das Monoscribe-Verschaltungskonzept zielen auf die Produktion individuell angepasster, biegsamer PV-Module (Geometrie und Ausgangspannung) ab und erlauben es Sunplugged einen internationalen vergleichsweise hochpreisigen Nischenmarkt in der PV zu erschließen. Dafür werden in NoFRONTIERS die Wirkungsgrade auf ein wirtschaftlich verwertbares Niveau angehoben, indem alle einzelnen Produktionsschritte der Prozesskette (Absorberschicht, Frontschichten und Verschaltung) durch Wissenstransfer topaktueller Forschungsergebnisse optimiert und aufeinander abgestimmt werden. Insbesondere wird die Optimierung des Herstellungsprozesses der Absorberschicht durch vergleichende Laborprozesse und innovativer Prozessüberwachung beschleunigt. Detailhafte Identifizierung der elektro-optischen Verlustquellen mit präziser Material- und Deviceanalytik am Helmholtz-Zentrum Berlin und der Universität Innsbruck evaluiert die technologische Entwicklung der Verfahrenstechnik (modifiziertes Magnetron-Sputtern) durch PhysTech und die unterschiedlichen Methoden der Laserstrukturierung und Druckverfahren von Joanneum Research. Diese Evaluierung soll als Basis für die Technologieauswahl dienen um zukunftsorientierte Investitionen für die industrielle Produktion zu platzieren.

Ausgangssituation

Sunplugged hat einen Technologie-Reifegrad erreicht, der die Herstellung voll funktionsfähiger PV-Module zulässt. Bis dato wurden 11 % Spitzenwirkungsgrad auf Zellebene und 7 % auf Modulebene erreicht.
Die maßgeschneiderte Herstellung von biegsamen Photovoltaikmodulen mittels post-monolithische Verschaltung durch Laser-Strukturierung und Tintenstahldruck wurde bereits erfolgreich entwickelt. Diese Technologie ist das Kernelement von Sunplugged’s Businessplan.

Projektverlauf

Ziel des vorliegenden Projekts ist es, die Wirkungsgrade auf ein wirtschaftliches Niveau zu heben (Spitzenwirkungsgrad auf Zellebene 17 %, Modulebene eine durchschnittliche Effizienz 12 %). Aufgrund der Komplexität und der Vielfalt an einsetzbaren Technologien (Beschichtungsverfahren, Laserequipment, Druckverfahren, …) ist es für Sunplugged unverzichtbar, diese wissenschaftlich und systematisch zu evaluieren, um einerseits die Zielwirkungsgrade zu erreichen und
andererseits die für eine industrielle Produktion anstehenden Investitionen optimal zu platzieren.

"Für den zukünftigen Bedarf an Photovoltaik ist es von großer Bedeutung ein industriell geeignetes R2R-Verfahren zur Herstellung von Thin-layer Photovoltaik zu etablieren um den stark steigenden Bedarf in den nächsten Jahren decken zu können. "

– Nikolaus Weinberger –

Ergebnisse

Wissenszuwachs, Relevanz und Alleinstellungsmerkmal:
Durch die gezielte F&E-Arbeit werden topaktuelle wissenschaftliche Fragestellungen aus den Bereichen der PV (speziell in der CIGS-PV), der Dünnschicht- bzw. Beschichtungs-Technologie und Materialanalytik durch wissenschaftliche Arbeiten vorangetrieben:
(i) der SunP Hybrid CIGS Prozess hat im Rahmen der Konferenz PVSEC-27 international großes Interesse geweckt. Die Ergebnisse aus diesem Projekt dienen der Community somit auch als Nachweis der Eignung der neuartigen Herangehensweise im Vergleich zu den gängigen Verfahren, insbesondere in Bezug auf Homogenität und Produktionskosten der Absorberschicht;
(ii) Anwendung von Femtosekunden- und Pikosekunden-Laser für individuelle „post-monolithische“ Verschaltung;
(iii) All-in-One gesputterte Deckschichten
(iv) super-sanfte Präparation von polierten Querschnitten von Dünnschichten auf flexiblen, biegsamen Substraten; (v) simple und stabile Diagnostik zur Prozesskontrolle; Die genannten Punkte führen zu einem großen Wissenszuwachs, der der internationalen wissenschaftlich-technischen PV- und Dünnschicht-Community zur Verfügung gestellt wird.
(v) simple und stabile Diagnostik zur Prozesskontrolle; Die genannten Punkte führen zu einem großen Wissenszuwachs, der der internationalen wissenschaftlich-technischen PV- und Dünnschicht-Community zur Verfügung gestellt wird.

 

Eine Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse in der Absorber Entwicklung kann der folgenden Publikation entnommen werden:

N. Weinberger et al., „Realizing double graded CIGSe absorbers with the R2R Hybrid-CIGSe-process,“ 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), Calgary, OR, 2020, pp. 0909-0912, doi: 10.1109/PVSC45281.2020.9300708.

Abstract: We present an approach for industrial roll-to-roll (R2R) deposition of Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) thin films on stainless steel foil for use as absorber layers in thin film solar cells. The Hybrid-CIGSe-deposition process combines magnetron sputtering with evaporation techniques and allows the realization of a double graded CIGSe layer, reaching a conversion efficiency of currently up to 14.3 % (w/o antireflective coating). The influence of different power settings of the individual magnetrons on the gallium profile is described. For a deeper understanding of differences between a static and a R2R process, a calculated flux diagram is presented.

Steckbrief