Projekte

3D-PHOTOXIDES

3D-Tintenstrahldrucken photovoltaischer Bauteile basierend auf dünnen Schichten aus halbleitenden Oxiden (MANUNET-3D-PHOTOXIDES)

Programm: PDA Forschung für Produktion
Bekanntmachung: Produktionsanlagen für Wachstumsmärkte - intelligent einfach und effizient
Wettbewerb: Produktionsanlagen für Wachstumsmärkte innerhalb transnationaler Forschungsprojekte des europäischen ERA-Net MANUNET

Kurzbeschreibung:
Heutige Solarzellen bestehen in der Regel aus relativ teurem monokristallinem Silizium oder werden in einer preiswerteren Dünnschichttechnologie aufgebaut. Das Projekt setzt sich zum Ziel ein neuartiges, sehr kostengünstiges Fertigungsverfahren für Solarzellen auf der Basis von halbleitenden Schichten zu entwickeln. Hierzu werden Substrate mit einem speziellen Verfahren beschichtet, auf welchen über Druckprozesse photoaktive Schichten und die Elektroden aufgebracht werden. Die entwickelte Anlagentechnik lässt sich auf andere Anwendungen übertragen.

Projektdauer: 01.04.2015 − 31.03.2017

Ansprechpartner bei PTKA:
Dipl.-Ing. Ulf Zanger
Telefon: +49 721 608-25296
E-Mail: ulf.zanger@kit.edu

Detaillierte Projektbeschreibung

Problemlage
Solarzellen werden heutzutage mit unterschiedlichen Verfahren und Materialien hergestellt. Die entscheidende Kenngröße einer Solarzelle ist der Wirkungsgrad, d. h. die Effizienz, mit der Licht in elektrischen Strom umgewandelt wird und die somit den Flächenbedarf bestimmt. Die höchsten Wirkungsgrade werden heute mit einkristallinen Solarzellen erreicht. Diese bestehen aus aufwändig hergestellten großen Siliziumeinkristallen, die anschließend in hauchdünne Scheiben gesägt und weiter bearbeitet werden. Deutlich ressourcensparender sind dagegen Dünnschichtsolarzellen, bei denen nur eine tausendstel Millimeter dünne Schicht des gewünschten Solarzellenmaterials auf Glas-, Kunststoff- oder Metallfolien aufgebracht wird. Die Schichten bestehen allerdings aus winzigen Körnern, die ungeordnet strukturiert sind. Zwischen den Körner bilden sich an Korngrenzen Lücken, die den Stromfluss behindern und den Wirkungsgrad der Zellen deutlich verringern.

Ziel
Im Projekt 3D-PHOTOXIDES soll ein innovatives Produktionssystem entwickelt werden, das es erlaubt, Dünnschichtsolarzellen herzustellen, die weniger fehlerhafte Korngrenzen aufweisen und somit einen hohen Wirkungsgrad erreichen. Dazu werden Fertigungstechnologien angepasst, die im Bereich der Supraleiterforschung entwickelt wurden und bisher noch nicht bei Solarzellen Anwendung fanden.

Vorgehensweise
Hierzu wird eine bewährte Beschichtungstechnik, die sogenannte Elektronenstrahlverdampfung, verwendet, die beispielsweise auch zum Beschichten von Verpackungsfolien eingesetzt wird. Diese wird durch Schrägstellen des Substrates so adaptiert, dass wenige tausendstel Millimeter dünne Schichten aus Magnesiumoxid ohne Korngrenzen auf einer Metallfolie aufgebracht werden können. Auf diese Pufferschicht werden anschließend mit einer innovativen Tintenstrahldrucktechnik Tröpfchen von Lösungen aufgebracht, die die Bestandteile der eigentlichen Solarzelle, z. B. Kupfer und Zink, enthalten. Durch nachfolgendes Erhitzen verdampft das Lösungsmittel und es bildet sich die Dünnschichtsolarzelle, bestehend in diesem Fall aus Kupfer- und Zinkoxid. Die prototypische Umsetzung erfolgt in Laboranlagen mit briefmarkengroßen Musterzellen, die anschließend zu einem 10 x 10 cm großen Modul verschaltet werden. Begleitend wird ein Fertigungs- und Anlagenkonzept für die großtechnische Produktion erstellt sowie ökologisch und ökonomisch bewertet.

Ergebnis und Anwendungspotenzial
Bei erfolgreicher Umsetzung steht zukünftig der Solarindustrie eine neuartige Fertigungstechnologie für Dünnschichtsolarzellen zur Verfügung. Diese kann insbesondere in Deutschland aufgrund des bereits vorhandenen umfangreichen Know-hows im Bereich der Fertigung von Dünnschichtsolarzellen neue Impulse geben und Marktchancen im weltweiten Aufbau von Solarfabriken eröffnen. Die Ergebnisse sind auch direkt übertragbar auf Hochtemperatursupraleiter in der Energietechnik, eine Technologie, die derzeit mit ersten Pilotanwendungen für den Einsatz in Stromnetzen oder Kraftwerken auf den Markt kommt.

Projektträger

Projektträger Karlsruhe (PTKA)
Produktion, Dienstleistung und Arbeit
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

+49 (0)721 608-25281
info@ptka.kit.edu
Außenstelle Dresden
PTKA

Ansprechpartner

Sekretariat Karlsruhe

Susanne Zbornik

+49 (0)721 608-25281
susanne.zbornik@kit.edu

Sekretariat Außenstelle Dresden

Heike Blumentritt

+49 (0)721 608-31435
heike.blumentritt@kit.edu