In einem Rutsch beschichten

Fortschritt bei der Entwicklung von flexiblen Dünnschichtsolarzellen

Über 10 Prozent Wirkungsgrad: Forschungsinstitut ZSW scheidet mit einer Rolle-zu-Rolle-Anlage CIGS-Dünnschichtzellen auf 25 Mikrometer dünner Polymerfolie ab.

Dünnschichtsolarzellen können auch auf leichten, flexiblen Trägermaterialien zum Einsatz kommen. Das erweitert die Anwendungsfelder enorm. Die Herstellung ist bisher aber meist noch recht umständlich. Auf dem Weg zur effizienten Bandbeschichtung von Dünnschichtsolarmodulen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) auf Kunststoff-Folie hat das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) jetzt einen Erfolg verbucht: Die Forscher aus Stuttgart können in einer Anlage mit kontinuierlichem Durchlauf bereits die wichtigsten Herstellungsschritte am Stück durchführen. Demnächst wollen sie alle Schritte zusammen umsetzen. Das begünstigt künftig eine wirtschaftlichere Fertigung. Die Solarzellen erreichen schon heute 10,2 Prozent Wirkungsgrad.

Die Herstellung der flexiblen Dünnschicht-Module ist bisher aufwändig und zeitintensiv. Jede einzelne Schicht wird in einer separaten Anlage nacheinander abgeschieden. Diese Schritte vereint das ZSW jetzt in einer einzigen Anlage. Ziel der Forscher sind fertig verschaltete Solarmodule mit noch höheren Wirkungsgraden. Durch Massenfertigung könnte so eine neue Generation preisgünstiger, flexibler Photovoltaikmodule entstehen.

An einer zwölf Meter langen Bandbeschichtungsanlage im Technikum des ZSW werden seit 2010 CIGS-Dünnschichtsolarzellen von der Rolle entwickelt. Trägermaterial ist eine temperaturbeständige Polymer- Kunststoff-Folie, Polyimid. Die Folie ist 0,0025 Zentimeter dünn und 30 Zentimeter breit.

"Die Besonderheit der Bandbeschichtungsanlage liegt darin, dass alle Beschichtungsschritte simultan im gleichen Vakuum stattfinden", erklärt Prof. Michael Powalla, Mitglied des ZSW-Vorstands und Geschäftsbereichsleiter Photovoltaik. "Während an einem Ende der Anlage der Rückkontakt mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht wird, finden an anderer Stelle die CIGS-Absorberaufdampfung und die Abscheidung der transparenten Frontkontaktschicht statt."

In der aktuellen Ausbaustufe können der Molybdän-Rückkontakt, die drei Elemente für den CIGS-Absorber sowie die Zinkoxid-Fensterschichten abgeschieden werden. An der Entwicklung und Integration
einer neuen Pufferschicht wird noch gearbeitet. Zu einem späteren Zeitpunkt soll auch die monolithische Zellverschaltung voll integriert werden.

Das Potenzial flexibler Dünnschichtsolarmodule auf Kunststoff-Folie ist enorm: Sie erschließen dort neue Anwendungsfelder, wo es auf ein geringes Gewicht und auf Biegsamkeit ankommt. Solarzellen auf TShirts und Jacken, Module auf Autos oder Leichtbauflugzeugen sind nur einige Beispiele. Auch ein Aufbringen der Folie auf ein Glassubstrat ist viel versprechend: Das sonst von zwei Glasscheiben eingefasste Glasmodul wird so um fast die Hälfte leichter und wäre damit ideal für Anwendungen auf weniger tragfähigen Dächern.

Die Anlage wurde mit Hilfe des Investitionsprojekts "CISROLL" des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) finanziert.

Das ZSW gehört zu den führenden Instituten für angewandte Forschung auf den Gebieten Photovoltaik, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen sowie Energiesystemanalyse. Das Institut brachte die CIGS-Dünnschichtphotovoltaik zusammen mit der Firma Würth Solar zur Industriereife. An den drei ZSW-Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 200 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt.

Öffnen der Kammer an der Bandbeschichtungsanlage. Foto ZSWGesamtansicht der Bandbeschichtungsanlage.

Abrollen der Kunststoff-Folie.

Öffnen der Kammer an der Bandbeschichtungsanlage. Foto ZSW

siehe auch: www.zsw-bw.de