Novel Flexible, R2R produced, Non-toxic, Individualizable, high-efficient and robust solar modules (NoFrontiers)

CIGS Dünnschicht-Solarzellentechnologie hat sich neben der Silizium-Technologie in den letzten 10 Jahren zu einem ernstzunehmenden Mitbewerber im PV Markt entwickelt. Der Rekord-Wirkungsgrad einer CIGS-Zelle liegt derzeit bei 22,9 % (Solar Frontier, Japan), und damit sehr nahe am Silizium Rekord von 26,3%. Biegsame CIGS-Dünnschichtphotovoltaik kann kostengünstig in Rolle-zu-Rolle Anlagen produziert werden. Das geringe Gewicht, die Biegsamkeit und die Möglichkeit innovative individualisierbare Verschaltungskonzepte anzuwenden, eröffnen neue Märkte für die Photovoltaik.
Die Firma Sunplugged entwickelt sehr leichte, biegsame CIGS-PV-Module mit internationalen Alleinstellungmerkmal. Der innovative SunP-CIGS-Prozess und das industriell geeignete Monoscribe-Verschaltungskonzept, welches eine individuell anpassbare Geometrie und elektrische Ausgangsspannung ermöglicht, erlaubt es einen internationalen vergleichsweise hochpreisigen Nischenmarkt in der PV zu erschließen. Beispiele hierfür sind unter anderem Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Einsatz in Expeditionen, für Sensorik, Wearables, oder die Gebäudeintegration.
SunP hat einen Technologie-Reifegrad erreicht, der es zulässt voll funktionsfähige PV-Module herzustellen. Bis dato wurden 11% Wirkungsgrad auf Zellebene und 7% auf Modulebene erreicht. Ziel dieses Vorhabens ist es die Wirkungsgrade auf ein wirtschaftliches Niveau zu optimieren (durchschnittlicher Wirkungsgrad: Zelle 15%, Modul 12%). Aufgrund der Komplexität und der Vielfalt an einsetzbaren Technologien (Beschichtungsverfahren, Laserequipment, Druckverfahren, …) ist es für SunP unverzichtbar diese wissenschaftlich und systematisch zu evaluieren, um zum einen die Zielwirkungsgrade zu erreichen und zum anderen die für eine industrielle Produktion anstehenden Investitionen optimal zu platzieren.
Hierfür sind in diesem Vorhaben folgende Schritte geplant:
a) der CIGS Absorber wird optimiert (optimierter Gallium-Gradient durch Sputtern von purem Gallium; Entwicklung einer Prozesskontrolle, die eine Echtzeit-Regulierung von Prozessparametern erlaubt; Prozessoptimierung durch gezielte Nachstellung von Prozessbedingungen in Forschungsanlage am HZB);
b) Entwicklung und Optimierung einer R2R Maschine für gesputterte ‚All-in-One‘ cadmiumfreie Frontschichten (Aufbau des Innenlebens mit Focus auf Optimierung der Magnetrons; geeignete Materialwahl für Puffer-, Window-, und Frontkontaktschicht; Prozessoptimierung des Frontschichtsystems)
c) Verminderung der Verschaltungsverluste von derzeit 40% auf 20% (Laserstrukturierung mithilfe eines fs-Kurzpulslasers; Minimierung der nicht aktiven Fläche; Evaluierung von alternativen Druckverfahren; alternative Verfahren zur Endkontaktierung)
Die drei Schritte sind aufeinander aufbauend und werden mit modernster und detaillierter Analytik begleitet. Neben klassischer Deviceanalytik erlaubt die Rasterelektronenmikroskopie kombiniert mit Kathodolumineszenz die Identifizierung von Verlustquellen mit einer lokalen Auflösung im nanometer-Bereich; Umfassende Materialanalytik sorgt für die notwendige Vertiefung des Verständnisses und garantiert eine rasche Optimierung.
Der Erfolg dieses Projektes ermöglicht Sunplugged eine internationale Vorreiterfunktion im Bereich der individuell anpassbaren Photovoltaikmodule einzunehmen. Durch die Ergebnisse des Vorhabens kann SunP die sich auf Technologien fixieren und kritische Fehlinvestitionen für die industrielle Umsetzung vermeiden. Die Forschungsinstitute profitieren von der Zusammenarbeit und können ihre Expertise weiter ausbauen. An der Universität Innsbruck soll nach erfolgreicher Umsetzung des IMS-Prozesskontrollsystems eine Firmenausgliederung für die wirtschaftliche Verwertung sorgen.

Projektlaufzeit

1.3.2019 - 28.2.2022

Projektleitung

Kooperationspartner

  • Universität Innsbruck (UIBK), Fakultät für Technische Wissenschaften, Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften, AB Materialtechnologie (MTI), Material Center Tyrol (MCT)
  • Sunplugged GmbH (SunP)
  • Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbH (JR)
  • Helmholtz-Zentrum Berlin GmbH - PVcomB (PVcomB)
  • PhysTech Coating Technology GmbH (PT)